수치해석을이용한평균양방향유동튜브유량계의 파울링적용성평가 Numerical Evaluation of Averaging BDFT(bidirectional flow tube) Flow meter on Applicability in the Fouling Condition 2013.12.06 박종필
목차 1. 연구배경및목적 2. 평균 BDFT 유량계의원리및특성 3. 수치계산 3.1 검증해석 3.2 파울링영향도해석 4. 결론 2
1. 연구배경및목적 원자로열출력은주급수유량을기반으로한열평형방법에의해계산 정확한원자로열출력계산을위해주급수유량의정밀한측정이중요 W MS h MS W FW : 측정값 WFW hfw W BS MS : 설계값 W = W -W FW FW W BS h BS Q W h W h -W SG Q Rx Q MS SG MS BD BD FW h FW 3
1. 연구배경및목적 주급수유량은 venturi meter를통해측정 Venturi meter는부유물이압력도관또는목에침전되는파울링에의한측정오차가발생할수있음 원전운전기간동안측정된유량이점점증가하여발전량을줄여야하는문제가발생 초음파유량계는전자기기의신뢰성문제가제기되어근본적인해결책이되지못함 평균 BDFT 유량계는이론적으로파울링에무관한유량측정이가능하여정확한원자로열출력계산이가능할것으로판단됨 4
2. 평균 BDFT 유량계의원리및특성 국부 BDFT 유량계 (Mccaffrey et al., 1976; Lui et al.,1990) 를바탕으로평균유속 ( 유량 ) 을측정할수있도록개발 BDFT 전단압력 : 정체압 // 정압 + 동압 BDFT 후단압력 : 정압 // 배압 < 정압 ( 흡입효과 ) 측정압 ( 전 / 후단압력차 ) > 동압 보정계수인압력증배계수필요 * 압력증배계수는 orifice & venturi meter의방출계수가유사한의미 전단압력 후단압력 Front flow Back flow ρv Δp > 2 2 5
2. 평균 BDFT 유량계의원리및특성 평균 BDFT 유량계검 / 교정실험 수직관 : 물 ~ 2.8 m/s, 공기 ~ 3.5 m/s 수평관 : 공기 3 m/s ~ 70 m/s 수직관실험장치 테스트부 : 원형의아크릴배관 테스트부길이 10 m, 내경 80 mm 실험조건 : 2기압물, 유속 ~ 2.8 m/s (Re ~32,000) 주어진유량조건에서차압을통해압력증배계수도출 K = 2Δp / V ρ 6
2. 평균 BDFT 유량계의원리및특성 평균 BDFT 유량계의압력증배계수 2.0 1.9 ρvdb Re b = μ Amplification Factor (K) 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 D 4ab = b 2 ( a + b) ± 0.5% 1.1 1.0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Reynold Number (Re b ) 7
3. 수치계산 검 / 교정실험을통해평균 BDFT 유량계 Re 수 10,000 이상인구간에서는정밀한유량측정이가능함이증명 실험을통해평균 BDFT 유량계가파울링에무관한유량측정이가능함을증명하지못함 파울링은부유물이압력도관또는목에침전되어벽면의상태를변화시키는현상으로수치해석을통해파울링모사가가능 상용 CFD 코드인 STAR-CCM을사용하여 1) 압력증배계수예측성능검증계산및 2) 파울링영향도평가계산을수행함 8
3.1.1 검증해석수치모델 직경 80 mm의원형배관 입구유속의완전발달및 BDFT 후류의영향을고려하여충분한배관길이확보 평균크기 4 mm의정렬격자생성, BDFT 및벽면주위에는조밀한격자생성 ( 총격자수 200만개 ) 1/6 Le = 4.4Dp Re p < 3. 5m 9
3.1.2 검증해석수치계산법 난류모델 : 표준 k-ε모델, SST 모델 Wall Treatment : 표준 k-ε모델 /Two-layer, SST 모델 /High y+ 초기및경계조건 물성치 : 2기압, 25 C의물의물성치사용 입구 : 유속경계 (0.06 m/s~2.5 m/s + 3 m/s, 5 m/s, 8 m/s, Re ~ 100,000) 출구 : 압력경계 벽면 : 매끄러운벽 (Wall roughness : Smooth wall) 10
3.1.3 검증해석결과 평균 BDFT 유동특성예측성능 ( 입구유속 : 3 m/s) Front flow Back flow 정체압 배압 표준 k-ε 모델 SST 모델 11
3.1.3 검증해석결과 평균 BDFT 유동특성예측성능 ( 입구유속 : 8 m/s) Front flow Back flow 정체압 배압 표준 k-ε 모델 SST 모델 12
3.1.3 검증해석결과 평균 BDFT 압력증배계수예측성능 2.0 1.65 Amplification Factor (K) 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 EXP. CFD (k-e model) CFD (SST model) K = 2Δp / ρ V Amplification Factor K (CFD) 1.60 1.55 1.50 1.45 1.40 1.35 25000<Re<100000 1300<Re<25000 +5% +2% 780<Re<1300-2% -5% CFD (k-e model) CFD (SST model) 1.0 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 BDFT Reynolds Number 1.30 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.65 Amplification Factor K (Exp.) CFD 해석을통해평균 BDFT 유량계유동특성을예측할수있음 13
3.2.1 파울링영향도해석수치모델 난류모델및 Wall Treatment : SST 모델 /High y+ 초기및경계조건 벽면 : BDFT 주위에 0.2 mm, 0.5 mm 표면거칠기적용 산업용강은장기사용으로인한부식발생시일반적으로 0.15 mm ~ 0.4 mm의표면거칠기를가짐 (Spraying System Co, SF pressure drop online-calculator: Roughness of pipes, 2013. http://www.spray.com/calculators/pressure_drop_calc/rauh.html) 14
3.2.2 파울링영향도해석결과 파울링영향에따른압력증배계수변화 2.0 1.48 Amplification Factor (K) 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 CFD (non-fouling) CFD (fouling 0.2 mm) CFD (fouling 0.5 mm) * non-fouling (smooth wall) : 검증해석결과 Amplification Factor K (fouling effect) 1.46 1.44 1.42 1.40 1.38 1.36 CFD (fouling 0.2 mm) CFD (fouling 0.5 mm) +0.1% -0.1% 1.0 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 Reynolds Number (Re b ) 1.34 1.34 1.36 1.38 1.40 1.42 1.44 1.46 1.48 Amplification Factor K (smooth & roughed wall) 평균 BDFT 는파울링에무관하게유량측정이가능 15
3.2.2 파울링영향도해석결과 평균 BDFT 유량계의최대허용파울링 1.55 1.50 2000<Re<100000 +5% Amplification Factor K (CFD) 1.45 1.40 1.35 1.30 +2% 1.25 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55-2% -5% Amplification Factor K (Exp.) CFD (rough 0.5 mm) CFD (rough 1 mm, 2 mm) CFD (rough 5 mm) 16
4. 결론 CFD 코드의평균 BDFT 유량계유동특성및압력증배계수예측성능을평가 BDFT 후단의흡입효과에의해배압이형성됨을잘예측 Re 수가 5,000 이상인구간에서실험및해석결과의오차는 ±2% 이내 BDFT 주위의표면거칠기를변경하며파울링영향도평가 비파울링조건및파울링조건에서계산된압력증배계수의오차는 ±0.1% 이내 평균 BDFT 유량계가파울링에무관하게동일한유량조건에서동일한차압을측정함을수치해석을통해증명 추가적인실험 / 해석적평가를통해평균 BDFT 유량계의성능이검증된다면원자력발전소의경제성을높일수있을것으로기대 17
감사합니다 18