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칠 한
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 11 pp , ISSN / eissn 기체 - 액체이젝터의디퓨저형상에대한연구 장진우 1, 신원협 1, 박영철 2* 1 동아대학교대학원기계공학과, 2 동아대학교기계공학과 STUDY ON THE PERFORMANCE OF THE SHAPE OF THE AIR-LIQUID EJECTOR DIFFUSER Jin-Woo Jang 1, Won-Hyeop Sin 1, Young-Chul Park 2* 1 Graduate school, Department of Mechanical Engineering, DongA University 2 Department of Mechanical Engineering, DongA University 요약본논문은기체- 액체이젝터의수치해석연구에초점을맞추고있다. 이젝터는구동유체가노즐을통해고속으로분출될때, 구동노즐출구주변에진공압이형성되어주변의기체와운동량교환을통하여저압의유체를보다높은압력으로압축하여수송하는장치이다. 기체-액체이젝터는상용소프트웨어 ANSYS-CFX 14.0을사용하여다상의 CFD 분석을통해연구한다. 구동유체는물을사용하여구동되며, 실제로는공기가아닌오존을사용하여배출된다. 기체- 액체이젝터의디퓨저의형상에따라성능차이를비교한다. 결과기체- 액체이젝터의성능에미치는다양한요인을제공한다. 그리고제안된수치모델은기체- 액체이젝터의의최적설계에매우도움이될것다. Abstract This paper performed a numerical study of an air-liquid ejector. An ejector is a fluid-transportation device that spouts high-pressure fluid from driving pipes using the kinetic energy of the spouted fluid and increases the pressure through the exchange of momentum with the surrounding gases of the lower pressure. The air-liquid ejector was investigated through steady three-dimensional multiphase CFD analysis using commercial software ANSYS-CFX Water as the primary fluid is driven through the driving nozzle and air is ejected as the second gas instead of ozone in real applications. The difference in performance according to the shape of the diffuser of the ejector was examined. The results provide deep insight into the influence of various factors on the performance of the air-liquid ejector. The proposed numerical model will be very helpful for further design optimization of the air-liquid ejectors. Key Words : Air-liquid, Ejector, CFD, Diffuser, Ejector performance 1. 서론 이젝터 (Ejector) 는벤트리효과를이용하는펌프의일종으로서제트펌프라고부르기도하며구동유체로물을이용하여진공을형성시키는장치로서, 고압의유체 (motive fluid) 가지닌압력에너지를이용하여흡입유체를빨아들여이송하는기계장치이다. 구동유체에따라증기이젝터 (steam ejector), 수이젝터 (Water ejector), 공기이젝터 (Air ejector) 등으로분류하며, 그구성은흡입되는흡입부 (Suction port), 구동노즐과흡입부에서흡입된유체들이혼합되는혼합실 (Mixing section), 구동유체와흡입된유체가완전히혼합이되는이젝터목 (Throat), 구동노즐을통과하면서저압이된구동유체의압력을회복시켜주는디퓨저 (Diffuser) 로구성되어있으며, 이젝터목을포함하지않은형태도있다. 이젝터의성능및유동특성에관하여이론및실험 본논문은지식경제부지정지역혁신센터사업 (RIC) 고기능성밸브기술지원센터지원으로수행되었음. * Corresponding Author : Young-Chul Park(Dong-A Univ.) Tel: parkyc67r@dau.ac.kr Received October 14, 2014 Revised November 5, 2014 Accepted November 6,

기체 - 액체이젝터의디퓨저형상에대한연구 등의많은연구가현재진행되어왔다. Keenan과 Neumann은디퓨저가없는공기이젝터의이론적해석결과와실험결과가일치하는것을확인하였고, German 등은이젝터의이차목의형상이이젝터성능및기저압력에영향을미친다는것을확인하였다. air-liquid Ejector, 메인배관및각종게이지들로이루어져있다. [Fig.

실험장치및방법작동원리는다음과같다. 이젝터에공급된고압 ( 구동압력 ) 의액체는구동노즐에서액체가가지고있는압력에너지를속도에너지로변환시켜고속으로분사되며, 이때혼합부는고속으로분사되는액체에의하여매우낮은압력 ( 흡입압력 ) 으로형성되고, 흡입부주위에있는공기를흡입배관을통하여고속으로분사된액체가디퓨저로유출될때빨려들어오게된다.

2 기체 - 액체이젝터의디퓨저형상에대한연구 등의많은연구가현재진행되어왔다. Keenan과 Neumann은디퓨저가없는공기이젝터의이론적해석결과와실험결과가일치하는것을확인하였고, German 등은이젝터의이차목의형상이이젝터성능및기저압력에영향을미친다는것을확인하였다. air-liquid Ejector, 메인배관및각종게이지들로이루어져있다. [Fig. 2] Experimental Apparatus of air-liquid ejector [Fig. 1] Schematic of the ejector 본논문에서는수치해석을위해상용 CFD 프로그램인 CFX 14.0을사용하여이젝터의구성요소중에서디퓨저의위치와형상이 air-liquid Ejector 성능에미치는영향을분석하고자한다. 2. 실험장치및방법작동원리는다음과같다. 이젝터에공급된고압 ( 구동압력 ) 의액체는구동노즐에서액체가가지고있는압력에너지를속도에너지로변환시켜고속으로분사되며, 이때혼합부는고속으로분사되는액체에의하여매우낮은압력 ( 흡입압력 ) 으로형성되고, 흡입부주위에있는공기를흡입배관을통하여고속으로분사된액체가디퓨저로유출될때빨려들어오게된다. 고속으로분사된액체와흡입유체는디퓨저입구에서구동액체와혼합이시작되어이젝터목에서혼합이완료된다. 고속유동의혼합유체는디퓨저출구에서베르누이의원리에따라배출구까지압력이회복되어외부로배출하게된다. 이젝터의작동원리및성능특성을파악하기위해서물을구동유체로사용하며대기중의공기를흡입하여, 물과공기가혼합되어메인배관으로토출하는시스템을구상하여실험을수행하였다. Fig. 2에는 air-liquid Ejector 를실험하기위한실험장치전경으로나타낸것이다. 실험장치의구성은펌프를통해물이저장된탱크, 탱크를통해구동노즐로물을공급하는펌프, 실험대상 실험순서는다음과같다. 구동펌프를통해물탱크안에채워진물을 air-liquid Ejector 로유입되어압력게이지 와유량게이지 를통해이젝터로흘러간다. 이때유입된유체는일정한유량과압력을가지도록조절한다. 구동노즐을통해유입되는물에의해흡입되는공기는압력게이지 를이용하여흡입압력을측정하고, 공기의흡입여부를확인한다. 이젝터를빠져나온공기와물이혼합된혼합유체는메인배관에유입되게되고, 메인배관은일정한압력으로배압을관리하기위해압력게이지 를이용해조절한다. 실험의진행과정은메인배관의압력을변화시켜, 이때실험용 air-liquid Ejector 의작동이안정화될수있는충분한시간을가지도록한다. 3. 전산유체역학시뮬레이션 Fig. 3은 CFD 프로그램을사용하여전산수치해석을수행하기전실험장치와같이 3차원모델링을하였고, 모델링전용소프트웨어인 Solid Works 를이용하여조립도를나타낸것이다. 수치해석에필요한 3차원구조모델링을하기위해서실제실험에사용한실험용 air-liquid Ejector 의치수를측정하였고, 측정된값을이용해 3차원모델링을구현하였다. 3차원구조모델은크게구동노즐, 흡입부, 혼합실, 이젝터목, 디퓨저, 이너파이프, 그리고메인파이프를개별모델링을실시한후조립하는형태로완성하였다. 6413

3 한국산학기술학회논문지제 15 권제 11 호, 2014 Inlet 3 Inlet 2 Inlet 1 [Fig. 3] 3D modeling Outlet 이젝터유동해석에있어해석결과의신뢰성및정확도를위해해석모델은최대한실제형상에가깝게구성하도록한다. 고전적인방법으로유동해석을위해유동도메인자체를모델링하여전산해석을수행하는방법이널리사용되어왔으나, 컴퓨터성능및모델링도구의끊임없는발달로본체부분을모델링한후내부유동이이루어지는유동도메인을안정적으로얻을수있는기법이개발되었다. air-liquid Ejector 의내부유동장을형성하기위하여 ANSYS-Workbench를이용해서이젝터내부유동도메인을추출하였다. Fig. 4. 는 3차원모델링생성후, 이젝터의구조적인부분을제외한내부유동장만을추출한것이다. [Fig. 5] boundary conditions of air-liquid ejector 유동해석을위한경계조건은 Fig 5. 에서보는바와같이메인배관입구 (Inlet 1) 와메인배관출구 (Outlet) 는배압상태유지를위해압력조건을사용하였고, 압력의수치는실험에서의메인배관압력에근거하였다. 구동노즐유입구 (Inlet 2) 는일정유량조건을사용하여, 실험에서측정한압력게이지의데이터를이용하였다. 공기흡입구는대기와동일한압력상태가되도록압력조건으로설정하였다. CFD 모델을이루는격자는 tetrahderal & prizm 격자로구성하였다. 이젝터의성능을좌우하는설계변수는여러가지가있으나, 이들을모두파악하기위해서는많은시간과노력이따른다. 또한, 이젝터의설계변수들가운데하나인이젝터디퓨저의위치및형상에대한유동특성을파악함으로써이젝터의성능향상을도모한다. 설계변수설정은 Fig. 6에서보는바와같이 A, B로설정하였으며 Table 1로나타내었다. A. 혼합부에서디퓨저가시작되는위치 (0mm) 에서 350mm까지 50mm 간격으로변수설정을하였다. B. 디퓨저의형상은길이에따른변수로 3가지 200mm, 300mm) 를설정하였다. [Fig. 4] 3D modeling of flow region of air-liquid ejector [Fig. 6] Setting parameters for the ejector 6414

4 기체 - 액체이젝터의디퓨저형상에대한연구 [Table 1] Details of Setting parameters [Table 3] Average efficiency of the position of gas-liquid ejector 4. 해석결과기체-액체이젝터디퓨저에대한해석결과는 Table 2와같다. 이해석결과를바탕으로이젝터의성능을예측하고자한다. 이젝터의성능은이젝터노즐을통과하는구동유체와흡입부를통과하는흡입유체에비에의해결정되며, 성능을평가하기위한효율식은다음과같이표현된다. 디퓨저의위치에대하여 100mm, 200mm, 300mm의조건으로해석을수행하여 Fig. 7. 에같은위치에서성능이가장차이나는 Case 4, Case 5, Case 6의압력차이를나타내었고, Fig. 8. 에는유속, Fig. 9에는 Air의분포를나타내었다. Fig. 7의그림을보면펌프에서오는구동유체의압력은이젝터의형상과는관계없이항상일정하다는것을볼수있다. 이는성능과압력과의관계가무관하다는것을알수있다. Fig. 8에서는디퓨저의형상이길수록디퓨저에서유동이보다안정적인것을확인할수있다. Fig. 9에서는디퓨저의형상이길수록 Air의흡입량이확연이증가하는것을볼수있다. 이는디퓨저의길이에따라이젝터의성능에달라진다는것이다. 유량비 은구동노즐을통해유입되는물의유량 과흡입구를통해흡입되는공기의유량 의비를나타내며, 압력비 은구동노즐의압력 과배압 의차에대한배압과흡입구의압력 와의차에대한비를나타낸다. 유량비와압력비의곱을효율 이라말하며, 이는기체-액체이젝터의성능을평가하기위한수치로사용된다. 효율식을이용한기체-액체이젝터의효율을위치별, 형상별로평균값은 Table 2와 Table 3에나타내었으며, 이효율의최소값은 0%, 최대값은 12.6% 까지나타났다. [Table 2] Average efficiency of the shape of gas-liquid ejector [Fig. 7] Absolute pressure of the shape of ejector 6415

5 한국산학기술학회논문지제 15 권제 11 호, 2014 력으로기체- 액체이젝터가 Air를흡입하면항상일정한압력으로유지되는것으로보아이젝터의성능은구동노즐과 Suction Port의압력은무관하다고볼수있다. [Fig. 10] The Pressure of the ejector nozzle [Fig. 8] Water superficial velocity of the position of ejector 디퓨저의위치와형상을나타내는 Fig. 12를보면디퓨저의형상이길면길수록성능이눈에띄게좋다는것을확인할수있다. [Fig. 11] The Pressure of the Suction Port [Fig. 9] Air volume fraction of the position of ejector 다음은수치해석결과를바탕으로나타낸그래프이다. Fig. 10은구동노즐의압력, Fig. 11은 Suction Port의압 [Fig. 12] Massflow of the Shape of the Ejector Diffuser 6416

기체 - 액체이젝터의디퓨저형상에대한연구 5. 결론본연구에서는선박평형수처리장치용기체-액체이젝터디퓨저의형상에대한유동특성및성능을수치해석을통하여수행하였으며, 다음과같은결론을얻을수있었다. 기체-액체이젝터디퓨저의형상변경을통하여성능을파악하였다. 디퓨저의길이에따라성능및효율이 2% 씩차이가났고, 이것으로보아디퓨저의길이가길수록성능및효율이증가하는것을확인할수있었다.

1016/j.ces.2005.04.055 [8] Yadav, R. L., Patwardhan, A. W., 2008, Design aspects of ejectors: effects of suction chamber geometries, Chem. Eng. Science, Vol. 63, pp. 3886-3897. DOI: http://dx.doi.

6 기체 - 액체이젝터의디퓨저형상에대한연구 5. 결론본연구에서는선박평형수처리장치용기체-액체이젝터디퓨저의형상에대한유동특성및성능을수치해석을통하여수행하였으며, 다음과같은결론을얻을수있었다. 기체-액체이젝터디퓨저의형상변경을통하여성능을파악하였다. 디퓨저의길이에따라성능및효율이 2% 씩차이가났고, 이것으로보아디퓨저의길이가길수록성능및효율이증가하는것을확인할수있었다. 본연구는수치해석을이용하여기체- 액체이젝터디퓨저의형상에대한유동특성및성능을수치해석을통하여수행하였고, 이결과는기체-액체이젝터에대한기초설계자료에도움이될것으로사료된다. 2005, Hydrodynamic aspects of ejectors, Chem. Eng. Science, Vol. 60, pp DOI: [8] Yadav, R. L., Patwardhan, A. W., 2008, Design aspects of ejectors: effects of suction chamber geometries, Chem. Eng. Science, Vol. 63, pp DOI: [9] Utomo, T., Jin, Z., Rahman, M., Jeong, H. and Chung, H., 2008, Investigation on hydrodynamics and mass transfer characteristics of a gas-liquid ejector using threedimensional CFD modeling, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 22, pp DOI: [10] Myoung Kuk Ji, A Parametric study on the Performance Characteristics of Air and Liquid Ejector, A doctor's thesis, Gyeongsang National University (2008) [11] Ji-Hoon Jung, A Study of Flow Characteristics inside of ejector, A master's thesis, Dong-A University (2010) References [1] Keenan, J. H., Neumann, E. P. and Lustwerk, F.(1950), An Investigation of Ejector Design by Analysis and Experiment, Journal of Applied Mechanics, Vol.17, No.3, pp [2] Takashima, Y.(1952), Studies on Liguid Jet Gas Pumps, Journal Scientific Research Institute(Tokyo), Vol.46, pp [3] Bonnington, S. T., and King, A. L.(1972), Jet pumps and Ejectors, A State of the Art Review and Bibliography. Published by BHRA Fluid Engineering. [4] Zahradnik, J., Fialova, M., Linek, V., Sinkule, J., Reznickova and J. Kastanek, F.,1997, Dispersion efficiency of ejectortype gas distributors in different operating modes, Chem. Eng. Science, Vol. 52, No. 24, pp DOI: [5] Havelka, P., Linek, V., Sinkule, J., Zahradnik, J. and Fialova, M., 1997, Effect of the ejector configuration on the gas suction rate and gas hold-up in ejector loop reactors, Chem. Eng. Science, Vol. 52, No. 11, pp DOI: [6] Rahman, F., Umesh, D. B., Subbarao, D. and Ramasamy, M., 2010, Enhancement of entrainment rates in liquid-gas ejectors, Chem. Eng. Processing., Vol. 49, pp DOI: [7] Kandakure, M. T., Gaikar, V. G. and Patwardhan, A.W., 장진우 (Jin-Woo Jang) [ 준회원 ] < 관심분야 > 전산유체, 구조설계 2012 년 8 월 : 동아대학교기계공학과 ( 학사 ) 2014 년 8 월 : 동아대학교기계공학과대학원 ( 석사 ) 신원협 (Won-Hyeop Sin) [ 정회원 ] < 관심분야 > 전산유체, 구조설계 2009 년 2 월 : 경성대학교영어영문학과 ( 학사 ) 2011 년 8 월 : 동아대학교산업정보대학원기계공학과 ( 석사 ) 2013 년 8 월 ~ 현재 : 동아대학교기계공학과대학원 ( 박사과정 ) 1997 년 3 월 ~ 현재 : ( 주 ) 엔케이기술연구소책임연구원 6417

7 한국산학기술학회논문지제 15 권제 11 호, 2014 박영철 (Young-Chul Park) [ 정회원 ] 1982 년 2 월 : 부산대학교금속공학과대학원 ( 석사 ) 2002 년 2 월 : 일본동북대학교기계공학과대학원 ( 박사 ) 2009 년 3 월 ~ 2013 년 7 월 : 동아대학교산학협력단단장 1998 년 3 월 ~ 현재 : 동아대학교기계공학과교수 < 관심분야 > 금속재료, 구조설계 6418

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The Korean Journal of Applied Statistics (2014) 27(1), 13 20 DOI: http://dx.doi.org/10.5351/kjas.2014.27.1.013 Maximum Tolerated Dose Estimation by Stopping Rule and SM3 Design in a Phase I Clinical Trial