수중 유동에 의한 내부 와류현상 검토 방법
오늘 다뤄볼 주제는 소형 전자장비의 “와류현상”에 대한 것입니다. 와류현상은 유체 내의 회전적 흐름 패턴으로, 다양한 환경과 상황에서 발생합니다. 태풍과 같은 외부적인 요인에 의해서도 발생하지만 대부분의 경우 유체 내부에서의 순환 흐름 변화로 인해 발생하는 문제가 두드러지게 나타납니다.
이번 주제에서는 펌프의 강제적인 Suction에 의한 와류현상에 대해 확인을 목적으로 합니다. 설계 신뢰성 확인을 위해 Matsui 실험에 의한 결과와 Benchmark test 를 통해 결과 비교를 수행하였으며, 와류 및 공동화 위치에 대해서 비교 검증을 수행합니다.
펌프 유입부에서 와류에 대하여 검토는 왜 필요할까요?
펌프 유입부 와류에 대한 연구는 CFD 시뮬레이션을 사용하여 일반적으로 진행됩니다. 펌프 설계의 복잡성과 다양한 환경적 요인들은 효과적인 유체 흐름 및 와류 관리를 어렵게 만들며, 이러한 설계 변수와 요인들의 복합적인 상호작용은 펌프의 성능과 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다.
수중 유동에 의한 와류현상에 대한 설비를 통한 실제모델 테스트는 매우 많은 시간과 자원이 필요합니다. 큰 규모의 수조는 물론 실제 펌프설비, 관측 및 분석 시간 등 매우 많은 리소스가 요구되게 되고, 더 큰 규모의 수력 구조물에서는 이러한 문제가 크게 대두될 수 있습니다.
따라서, 실제 검증 단계 전 실계 문제 진단을 위해 CAE 를 활용한 해석이 주로 사용됩니다. 가상공간을 활용한 수력 구조물 모사와 설계 조건에 대한 빠른 반영 검토가 가능한 장점이 있어 상대적으로 비용의 문제가 크게 절감되는 효과를 얻을 수 있고, 실제 검증 단계에서도 유효한 조건에 대해 빠르게 확인해볼 수 있습니다.
펌프 유입부에 대한 해석 고려사항은 어떤 것인가?
펌프 유입부에 대한 해석은 펌프 자체의 성능에 영향을 주게 됩니다. 공기와 물과 같이 경계면을 이루는 유체는 경계에 의해서 표면의 와류가 안정적으로 발생하지만 현재 모델과 같은 수중 유동에서는 유체의 속도와 방향에 따라 경계가 변화할 수 있어 해석시 다양하게 검토가 필요합니다.
사용자가 직접 실험하는 것이 불가능한 경우 CFD 해석과 조건 유효성에 대해 비교검증하기 위한 가장 쉬운 방법은 기존 실험 데이터와의 Benchmark test 입니다. 수중 유동 와류의 대표적인 예시로 Matsui(2006)와 Okamura(2007)의 물리적 모델 실험을 기반으로 한 본 연구가 존재하며, PIV 기법과 레이저 라이트 시트 방법을 사용하여 와류의 위치와 특성을 분석하였습니다. 이 중 Matsui(2006) 모델에 대하여 유사하게 구성하여 검증하는 것에 대하여 midas NFX 프로그램으로 진행해보는 것을 목적으로 합니다.
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