포핏형 체크 밸브의 채터링 거동 평가 = Estimation of Chattering Occurring in Poppet Type Check Valve

국문 초록 (Abstract)

포핏형 체크 밸브는 유체의 역류 방지를 위해 사용되는 장치로서, 입·출구단의 차압에 의한 힘과 스프링의 복원력에 의하여 유로의 개폐가 자동적으로 이루어진다. 그러나 특정한 차압에서 작동유체의 유동장 변화, 포핏의 관성력 그리고 스프링의 복원력에 의하여 포핏이 한 지점에 고정되지 못하고 끊임없이 진동하는 채터링(chattering)이 발생한다. 이는 밸브 시트 또는 바디와 포핏의 반복적인 충돌로 밸브 전체의 진동과 소음을 유발할 뿐만 아니라 국부적인 손상을 야기한다. 본 연구에서는 수소충전소용 포핏형 체크 밸브를 대상으로, 상용해석툴인 ANSYS Fluent 17.2의 동적 격자(dynamic mesh)와 사용자 정의 함수(user defined function)를 이용하여 입·출구단의 차압에 따른 과도유동해석을 수행하였으며, 시간 경과에 따른 작동유체의 비선형적인 변화와 포핏의 움직임을 고려한 채터링 거동을 평가하였다. 과도유동해석의 결과로부터, 차압이 0.432 MPa인 경우 0.01초 마다 포핏이 1 mm의 진폭으로 움직이며 밸브 바디와 반복 충돌하는 채터링이 발생하였고, 이는 포핏의 관성력과 움직임에 따라 주기적으로 변화하는 유체의 유동 특성 그리고 충돌에 의한 반발력에 기인한다는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The poppet-type check valve is commonly used to prevent the reverse flow of working fluids in various industrial applications. To automatically control the opening and closing of the valve, its operation relies on the applied forces attributed to differential pressures between the inlet and outlet, as well as the restoring force of a spring. However, under certain differential pressures, the flow field of the working fluid, inertia of the poppet, and restoring force of the spring can lead to chattering, which is characterized by a continuous vibration of the poppet without being fixed at a specific location. This chattering behavior generates vibration and noise throughout the valve owing to repeated collisions between the valve seat or body and poppet. Furthermore, it causes localized damage to the valve. In this study, a transient fluid analysis was performed on a poppet-type check valve designed for use in hydrogen refueling stations. Dynamic meshes and user-defined functions of ANSYS Fluent 17.2 were employed to investigate the chattering behaviors; the nonlinear flow changes in the working fluid and movement of the poppet over time were considered. The transient fluid analysis revealed that the poppet exhibited a repeated movement with an amplitude of 1 mm every 0.01 s under a differential pressure of 0.432 MPa. This caused the chattering, in which the poppet collided repeatedly with the valve body. The chattering behavior was attributed to the fluid flow characteristics that varied with the reaction force generated by the collisions and movement of the poppet.