가스발생기 비-반응 유동의 난류 혼합에 대한 LES 해석

이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.12

난류고리와 스플래쉬 판에 의한 난류 혼합과 난류 생성에 관한 연구를 위하여 LES 해석이 가능한 CFD 코드를 개발하였으며 이를 사용하여 LES 해석을 수행하였다. 계산 결과에 의하면 난류고리는 유동장에 매우 강한 난류를 생성하여 후류에서 난류 혼합을 촉진하는 역할을 담당하는 것으로 밝혀졌다. 한편 난류고리 후류 방향으로 스플래쉬 판을 설치하면 난류고리만을 설치한 경우와 매우 다른 형태의 난류 에너지와 엔스트로피 생성을 관찰할 수 있었다. 이 경우의 난류혼합은 판 뒤에 생성되는 매우 강하며 집중적인 난류의 생성에 의하여 이루어지며 압력강하는 초기 압력의 1% 수준으로 매우 낮았다. 또한 계산결과에 의하면 난류고리의 형상이나 돌출 길이 변화는 생성되는 난류의 특성에 매우 커다란 영향을 미치지 못하였다. 난류 혼합을 가장 효과적으로 이룰 수 있는 판의 위치에 관한 연구는 진행하지 못하였으나 지금까지 계산결과에 의하면 스플래쉬 판이 설치되었을 때 압력 강하도 낮은 수준이며 난류 혼합이 가장 효과적임을 알 수 있었다. LES analysis was conducted with in-house CFD code to investigate the turbulence evolution and interaction due to turbulence ring and splash plate in the gas generator. The calculation results show that the installation of turbulence ring can introduce additional turbulences and significantly improve turbulent mixing in the downstream flow. However, the addition of splash plate in the downstream of TR(Turbulence Ring) brings totally different shape of perturbation energy and enstrophy distribution into turbulent mixing. This enhancement can be done by the formation of the intensively strong vorticity and mixing behind the plate. Pressure drop was found to be a reasonable level of about 1% or less of initial pressure in all calculation cases. Also, calculation results revealed that the variation of shape and intrusion length of TR did not greatly affect the characteristics of turbulent mixing in the chamber. Even though the effect of installation location of splash plate on the turbulent mixing was not investigated yet, calculation results conclude the addition of splash plate leads to the increase in turbulent mixing with an acceptable pressure drop.

난류흐름의 화학적 동역학 모델 (TKM) 개발: 대류경계층 내의 NO_x-O₃ 단순 광화학 기작에 대한 난류혼합의 영향 연구

김미숙 ( Mi-sug Kim ) 한국환경기술학회 2017 한국환경기술학회지 Vol.18 No.2

많은 환경모델에서는 물질의 이송 또는 확산현상에서의 난류의 영향을 잘 묘사하면서도 보통 2 개의 반응물질에 대한 화학반응속도에서는 난류의 영향이 무시된 평균값만을 표기한다. 본 연구에서는 난류의 영향이 고려된 비선형의 2차 화학반응속도로 표현된 1차원 수직 난류흐름의 화학적 동역학 모델(1-D TKM)을 개발하였으며 그 첫 번째 적용사례를 제시하였다. 연구목적은 한 낮에 형성되는 대기의 대류혼합층(CBL) 내에서 상호작용하는 두 물질(지표에서 배출되는 물질 A와 대류혼합층의 상부로부터 유입되는 물질 B)간의 불완전 혼합과정을 정량적으로 설명하는 것으로 비균질의 CBL내에서 두 물질간의 하향식-상향식 확산에 대한 시뮬레이션을 수행하고 기존의 다른 모델형식과 비교하였다. 완전혼합을 가정하는 CBL에서 난류의 영향은 거의 무시될 수 있었으나 하층부와 상층부에서는 분리의 영향과 유입농도는 화학적 특성에 매우 민감하였으며 물리적 특성과 수치해석에는 덜 민감하였다. 반응속도 상수에 가장 민감한 인자로는 분리영향이며 상부의 유입농도의 영향은 매우 작았고 지표의 배출인자의 민감도는 그 특성에 따라 다양하게 나타났다. Numerous environmental models well describe turbulent effects on transport and dispersion phenomena. However, a chemical reaction rate between two species uses an only mean value ignored the turbulent effect. This study aims at developing a simple one-dimensional model to quantitatively account for turbulence-induced incomplete mixing of two interacting chemical species. Top-down and bottom-up(TDBU) diffusion of two reactive species in an inhomogeneous convective boundary layer(CBL) are simulated by means of 1-D vertical turbulent chemical kinetics model(TKM). The model incorporates an asymmetric convective model(ACM) scheme and a concentration field splitting method(CSM) using a phenomenal extent of reaction. The derived governing equations are integrated using forward finite differences. The TKM is applied to both irreversible and reversible reactions between ozone and nitric oxide in the summer daytime convective atmospheric boundary layer. Results, in the form of vertical profiles of reactants concentrations and intensities of segregation in the convective boundary layer show that for both the irreversible and reversible reactions, segregation is significant near the boundaries where the reactants sources are located. Segregation for the irreversible reaction is everywhere larger than for the reversible reaction because the photolysis of NO₂ tends to increase the NO concentrations while the covariances of the reacting species remain relatively constant. Comparison of the reactant concentrations from the TKM to a conventional kinetic model(CKM) that ignores effects of segregation reveals consistency in that everywhere in the CBL the TKM results lie between a no-reaction case and the CKM results.

유동함수를 이용한 난류제트혼합유동 계산에 관한 연구

최동환 한국추진공학회 2005 한국추진공학회지 Vol.9 No.3

A simple but efficient grid generation technique by using the modified compressible form of stream function has been formulated. Transformation of a physical plane to a streamline plane, the Von Mises Transformation, has been widely used to solve the differential equations governing flow phenomena, however, limitation arises in low velocity region of boundary layer, mixing layer and wake region where the relatively large grid spacing is inevitable. Modified Von Mises Transformation with simple mathematical adjustment for the stream function is suggested and applied to solve the confined coaxial turbulent jet mixing with simple turbulence model. Comparison with several experimental data of axial mean velocity, turbulent kinetic energy, and Reynolds shear stress distribution shows quite good agreement in the mixing layer except in the centerline where the turbulent kinetic energy distributions were somewhat under estimated. This formulation is strongly suggested to be utilized specially for free turbulent mixing layers in axisymmetric flow conditions such as the investigation of mixing behavior, jet noise production and reduction for Turbofan engines. 많은 장점에도 불구하고 유동함수를 이용한 수치해석용 격자생성 좌표변환기법의 단점은 저속영역에서의 격자간격이 고속영역에 비해 상대적으로 큼에 따라 수치적 처리에 많은 오차를 내포하고 있다는 점이다. 본 연구에서는 이러한 저속영역에서의 단점을 보완하기 위하여 격자간격을 속도크기 및 영역에 따라 적절히 조절할 수 있도록 수학적으로 변형된 압축성 유동함수를 이용한 좌표변환기법을 제안하고 가스터빈엔진에 주로 적용되는 유동모델로서 동심원상 두개 이상의 난류제트혼합유동에 대해 적용하였으며 해당 실험치, 즉 축 방향 평균속도분포, 난류운동에너지, 그리고 난류전단응력분포와 비교하여 난류운동에너지가 약간 과소평가된 대칭축을 제외한 혼합경계층 내에서 3.5% 이내의 신뢰성을 확보하였다. 본 기법은 특히 터보팬엔진에 대한 내부흐름들의 혼합유동을 규명하거나 또는 난류전단응력에 의한 제트소음발생 및 저감방법을 도모하는데 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

천해파와 해류에 의한 해저면 마찰력

유동훈,김지웅 한국해안해양공학회 2000 한국해안해양공학회 논문집 Vol.12 No.3

일방향흐름에 의한 해류의 마찰력 계산을 위하여 Prandtl의 혼합길이 이론을 수심 전구간에 적용하고 난류의 세기와 수리조건에 따라 완난류와 전난류로 분류하여 마찰계수를 산정하는 개수로 마찰계수 산정방법을 제시하였다. 파랑과 해류의 합성류에 의한 해저마찰력을 계산하기 위하여 두 유속의 연직분포를 고려한 BYO 모형을 이러한 흐름특성을 반영하여 개선하였다. BYO 모형은 모든 유속의 연직분포가 해저면으로부터의 직선과 접선으로 만나는 점(Bijker point)을 도출하여 파운동 유속과 해류유속의 합성을 이 점에서 시행하여 일주기의 평균갑을 구하는 모형이다. 일방향흐름의 해류나 천해파에 의한 파운동이나 해저면 가까이 경계층흐름은 완난류, 천이난류, 전난류 등 세가지 종류로 대별된다. 그 중 완난류로 대별하여 두 경우에 대한 합성류 마찰력 산정방법을 제시하였다. The friction factor equation of open channel flow is developed by using Prandtl's mixing length theory and considering the flow characteristics of smooth or rough turbulent flow. BYO model considers vertical velocity profile for the (:omputation of bottom friction of surface waves and current flow. The model computes the mean bottom friction of combined wave-current flow by the vectorial summation of wave velocity and current velocity at Bijker point. The near bottom flow is discriminated by three flow regimes; smooth, transitional and rough turbulent flow. The model, BYO, has been further refined considering the combination of smooth turbulent flow and rough turbulent flow.

Air-Air, CO₂-Air, He-Air 난류 제트유동의 입구단면 형상변화에 따른 혼합 특성변화에 대한 수치해석 연구

김원현(W. H. Kim),박태선(T. S. Park) 대한기계학회 2012 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2012 No.11

Spatially developing flow structure and mixing characteristics in turbulent jets issuing from a fully developed turbulent flow, with a weakly confined in an Air coflow, three different nozzle geometries and variable densities are investigated by using Reynolds Stress Models(RSM). In order to analyse the geometric effects on the flow mixing, round, square and equilateral triangular shape of nozzle exit plane are selected at a constant Reynolds number based on identical equivalent diameters. Also, variable density are selected that the density ratio(S=<SUB>pc/pco</SUB>) is 0.14 for He-Air and 1.52 for CO2-Air with a comparison of unity density ratio case for Air-Air with a constant momentum flux and mass flow rate. The variance of the mean velocity decay, a passive scalar mixedness, entrainment rates and turbulent intensity of square and equilateral triangular jet are compared with turbulent round jet. From the result, equilateral triangular jet is the highest mixing efficiency among three different inlet nozzle geometries and variable densities. Furthermore, mixing efficiency is increased by decreasing S with the same geometric conditions.

물 난류에서의 암모니아 흡수 거동 해석

이상룡,박진원 유기성자원학회 2019 유기물자원화 Vol.27 No.3

본 연구는 난류로 흐르는 물에서 미세먼지 전구체 중 하나인 암모니아가 흡수되는 거동을 해석하였다. 물의흐름이 층류보다 난류인 조건에서 암모니아의 침투 깊이가 더 깊으므로 레이놀즈 수가 104보다 큰 난류 조건이고려된다. 거동 해석을 위하여, 무차원 물질전달 지배방정식과 상온 기준의 일정한 물성치들이 사용되었다. 물에서의암모니아 확산계수와 물의 동점도계수는 각각 2.45×10-9 m2/s와 1×10-6 m2/s이었다. 물에서의 암모니아 농도 분포는암모니아에 노출되기 시작하는 지점으로부터의 위치에 대하여 산출되었다. 혼합 깊이에 따른 정량적인 분포 또한도출되었다. 이와 같은 정량적인 해석은 난류로 흐르는 물이 층류로 흐르는 것과 비교하여 얼마나 더욱 효율적으로암모니아를 제거할 수 있는지에 대한 통찰력을 제시할 수 있다. The article is devoted to the interpretation of ammonia, one of the fine dust precursors, absorption behavior in water turbulent flow. The water flow was considered as a turbulent flow with Reynolds number more than 104, because ammonia gas penetration depth was deeper at turbulent flow compared to laminar flow. For the interpretation, the dimensionless mass transfer governing-equation and the constant physical-properties at room temperature were used. The diffusivity of ammonia in water and the kinematic viscosity of water were 2×10-9 m2/s and 1×10-6 m2/s, respectively. The concentration distribution of ammonia in water was estimated with respect to the position from the point where the water started to be exposed to ammonia. The quantitative distribution as a function of the mixing length was also acquired. The quantitative interpretation may provide the insight how much the turbulent flow was more efficient to remove ammonia rather than the laminar flow.

O₂/CO₂ 혼합조건에 따른 LNG 연소특성해석

김혜숙(Hey Suk Kim),신미수(Mi Soo Shin),장동순(Dong Soon Jang),이대근(Dae Geun Lee) 大韓環境工學會 2007 대한환경공학회지 Vol.29 No.6

본 연구의 목적은 기존의 산업용 보일러에서 이산화탄소 배출저감을 위하여 연소가스 재순환에 의한 고온 순산소 연소기술을 개발하는데 있다. 이를 위해 실험실 규모의 LNG 연소기에서 연소 화염특성을 평가하기 위한 조직적인 수치해석 연구가 일차적으로 수행되었다. 특히 본 연구에서 고려한 중요한 변수는 산소부화환경에서 계산된 연소가스의 재순환 정도이다. 배기가스 재순환이 없는 100% 순산소 연소환경에서 화염은 고온의 길고 가는 층류형상의 화염을 보였다. 이는 산화제 중에서 질소성분이 감소함으로써 약화된 난류혼합효과와 N2 가스에 의한 현열손실의 감소에 기인하는 것으로 판단하였으며 문헌에 발표된 실험과 일치된 결과를 보였다. O₂/CO₂ 혼합가스에서 CO₂ 가스의 재순환율이 증가될수록 산화제의 유량 증가에 따른 강화된 난류혼합으로 인해 최고 화염온도가 버너 근처로 이동한 반면 전반적인 연소가스 온도는 N2에 비해 CO₂의 높은 비열로 인해 낮아지는 현상을 보였다. 결국 80% 이상 CO₂ 가스를 재순환한 경우 연소가스의 온도가 급격하게 떨어지는 화염소멸 현상을 보여주었다. 그러나 30% O₂/70% CO₂의 혼합 연소조건에서는 기존의 공기연소와 유사한 가스온도를 나타내었다. 이외에도 공기연소와 동일한 유량조건에서 난류강도와 열수지 측면에서 화염특성 변화를 평가하기 위한 면밀한 연구가 수행되었다. The ultimate objective of this study is to develop a reliable oxygen-enriched combustion techniques especially for the case of the flue gas recycling in order to reduce the CO₂ emissions from practical industrial boilers. To this end a systematic numerical investigation has been performed, as a first step, for the resolution of the combusting flame characteristics of lab-scale LNG combustor. One of the important parameters considered in this study is the level of flue gas recycling calculated in oxygen enriched environment. As a summary of flame characteristics, for the condition of 100% pure O₂ as oxidizer without any flue gas recycling, the flame appears as long and thin laminar-like shape with relatively high flame temperature. The feature of high peak of flame temperature is explained by the absence of dilution and heat loss effects due to the presence of N2 inert gas. The same reasoning is also applicable to the laminarized thin flame one, which is attributed to the decrease of the turbulent mixing. These results are physically acceptable and consistent and further generally in good agreement with experimental results appeared in open literature. As the level of CO₂ recycling increases in the mixture of O₂/CO₂, the peak flame temperature moves near the burner region due to the enhanced turbulent mixing by the increased amount of flow rate of oxidizer stream. However, as might be expected, the flue gas temperature decreases due to presence of CO₂ gas together with the inherent feature of large specific heat of this gas. If the recycling ratio more than 80%, gas temperatures drop so significantly that a steady combustion flame can no longer sustain within the furnace. However, combustion in the condition of 30% O₂/70% CO₂ can produce similar gas temperature profiles to those of conventional combustion in air oxidizer. An indepth analyses have been made for the change of flame characteristics in the aspect of turbulent intensity and heat balance.

분할 형태 혼합날개가 장착된 연료집합체 내부유동 분포 수치해석

이공희(Gong Hee Lee),정애주(Ae Ju Cheong) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.5

연료집합체의 지지격자에 설치된 혼합날개는 난류 강화 기구로서 부수로 내부에서 선회류 또는 연료봉 간극사이에서 횡류를 발생시켜 대류열전달을 증진시키는 역할을 한다. 따라서 혼합날개의 기하학적인 형상 및 배열 형태는 혼합날개의 성능을 결정하는 중요한 인자이다. 본 연구에서는 OECD/NEA의 벤치마크 계산에서 활용된 분할 형태의 혼합날개가 장착된 5×5 연료집합체 내부에서의 유동분포 특성을 파악하기 위해 상용 전산유체역학 소프트웨어인 ANSYS CFX R.14를 사용하여 계산을 수행하였고, 계산결과를 MATiS-H 시험장치의 측정값과 비교하였다. 또한 분할 형태의 혼합날개 형상이 연료집합체 내부유동 형태에 미치는 영향에 대해 설명하였다. As a turbulence-enhancing device, a mixing vane, which is installed at a spacer grid of the fuel assembly, plays an important role in improving convective heat transfer by generating either swirl flow in the subchannels or cross flow between the fuel rod gaps. Therefore, both the geometric configuration and the arrangement pattern of a mixing vane are important factors in determining the performance of a mixing vane. In this study, in order to examine the flow-distribution features inside a 5×5 fuel assembly with split-type mixing vanes, which was used in the benchmark calculation of the OECD/NEA, we conduct simulations using the commercial computational fluid dynamics software, ANSYS CFX R.14. We compare the predicted results with measured data obtained from the MATiS-H (Measurement and Analysis of Turbulent Mixing in Subchannels-Horizontal) test facility. In addition, we discuss the effect of the split-type mixing vanes on the flow pattern inside the fuel assembly.

혼합날개 형상이 연료집합체 내부유동 형태에 미치는 영향에 관한 연구

이공희(Gong Hee Lee),정애주(Ae Ju Cheong) 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2015 No.11

The ability to accurately predict the flow and temperature distributions in the fuel assemblies is important to the thermal-hydraulic performance and the safe operation of Pressurized Water Reactor(PWR). In general, the flow and temperature distributions inside PWR fuel assembly depends on the configuration and the arrangement pattern of the mixing vane. In addition, this flow consists of the swirl flow in a subchannel and the cross flow between the rod gaps. In this study, in order to examine the effect of the mixing vane arrangement patterns on the flow distributions inside the fuel assembly, simulations were conducted with the commercial CFD software, ANSYS CFX R.14. The predicted results were compared with the measured data from the MATiS-H (Measurement and Analysis of Turbulent Mixing in Subchannels-Horizontal) test facility. Although there were locally differences between the prediction and the measurement, ANSYS CFX R.14 predicted the time averaged velocity field in the reliable level. The predicted horizontal and vertical velocity components were more in agreement with the measured data than the axial velocity component. While the effect of both the swirl flow and the cross flow was dominant for the split-type mixing vane arrangement, the effect of the cross flow was not significant for the swirl-type one.

수직 동심 환형관 내의 난류혼합대류 현상에 관한 직접수치모사

전용준(Yong Joon Jun),배중헌(Joong Hun Bae),유정열(Jung Yul Yoo) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.11

Turbulent mixed convection in heated vertical annulus is investigated using Direct Numerical Simulation (DNS) technique. The objective of this study is to find out the effect of buoyancy on turbulent mixed convection in heated vertical annulus. Downward and upward flows with bulk Reynolds number 8500, based on hydraulic diameter and mean velocity, have been simulated to investigate turbulent mixed convection by gradually increasing the effect of buoyancy. With increased heat flux, heat transfer coefficient first decreases and then increases in the upward flow due to the effect of buoyancy, but it gradually increases in downward flow. The mean velocity and temperature profiles can not be explained by the wall log laws due to the effect of buoyancy, too. All simulation results are in good quantitative agreement with existing numerical results and in good qualitative agreement with existing experimental results.