기체온도 변화에 따른 평균 피토 튜브형 차압유량계의 유량특성에 대한 수치해석적 연구 :A numerical analysis on flow rate characteristics of an averaging pitot tube type differential flowmeter according to gas temperature

여승화

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자료유형: 학위논문

저자정보: 여승화 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 이수룡

발행연도: 2013

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

기체온도 변화가 평균 피토관 차압 유량계 유량특성에 미치는 영향에 대한 CFD 시뮬레이션

여승화 , 이수룡 , 이충훈 한국자동차공학회 추계학술대회 및 전시회 2013.11 학술대회자료

기체온도 변화에 따른 평균 피토 튜브형 차압유량계의 유량특성에 대한 수치해석적 연구

여승화 자동차공학과 2013.01 학위논문

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수치해석 기법을 활용하여 평균 피토 튜브형 차압유량계에 높은 기체온도를 공급하여 유량계에 미치는 유량특성을 관찰하였다. 3차원 CAD 프로그램인 PRO-ENGINNER를 이용하여 평균 피토 튜브형 차압유량계의 형상을 모델링하였다. 모델링에서 고려된 점은 내부유동이 완전 발달된 난류유동인 것을 계산을 통하여 확인하였고 이에 따른 충분한 수력학적 입구길이를 확보하였다. 유량계의 격자 생성은 격자 생성 전용 프로그램인 ICEM-CFD를 이용하여 4면(tetrahedral)이 있는 격자를 생성하였다. 수치해석은 상용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하였으며 수렴판정은 1.0×10 떨어질 때까지 충분한 반복을 통하여 계산하였다. 격자의 신뢰성을 확보하기 위해 기체온도 25 ℃ ~ 100 ℃까지의 실험결과와 수치해석결과를 비교 분석하였다. 동압인 100 ℃에서 최대 8.1 %의 압력수두에 대한 평균 오차율을 보이고 있으며 이는 수치해석의 입구 경계조건에서 비롯된 오차로 판단된다. 수치해석에서 높은 기체온도인 600 K ~ 1200 K를 공급한 결과 전압, 정압, 동압, 차압 그리고 후류압에서 측정한 모든 압력수두가 전반적으로 증가하는 결과를 확인할 수 있었다. 또한 유량계에서 측정된 압력수두를 이용해 유량을 측정할 수 있는 H 인자를 도입하여 유량측정을 하고자 하였다. 차압으로 정의된 H 인자를 적용하여 기체온도인 300 K ~ 1200 K까지 분석하였다. 기체온도 변화에 따른 H 인자의 그래프 기울기가 점진적으로 증가하는 특성을 관찰할 수 있었다. 정확한 유량을 측정하기 위해 H 인자를 도입하였지만 기체온도 변화에 따른 정확한 유량을 검증하기에는 어려움이 있었다. 따라서 기체온도가 증가하여도 정확한 유량을 측정할 수 있는 새로운 H 인자를 도입하였다. H 인자의 특징은 기체온도 변화에 따른 동압과 기체의 밀도값을 적용한 것이다. 새로운 H 인자를 도입하여 분석한 결과 공급되는 기체온도와 관계없이 하나의 직선으로 관찰되는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따른 선형적인 상관계수는 0.999으로 직선에 가깝게 관찰되었으며 새로운 H 인자의 도입으로 유량계에서 측정된 압력수두를 이용하여 정확한 유량을 계산할 수 있었다.

By supplying the gas with the high temperature to the averaging pitot tube type differential flowmeter with numerical analysis of the computer, the flow characteristics influence on the flowmeter is observed. The averaging pitot tube type differential flowmeter is modeled with the 3D CAD program, Pro-Engineer. As the inner flow of this research is expected to be fully developed transient flow, according to the calculation, hydraulically enough entrance length is modeled. The modeled flowmeter''s meshes for the analysis of the CFD are created using the mesh creation focused program ICEM-CFD in the form of tetrahedral(four-surfaces). Commercial CFD code, Fluent, is used for numerical analysis. The CFD is calculated enough til the convergence meets the . For the reliability of the mesh, measured hydraulic head pressures of the experimental results between the gas temperatures of 25 ℃ and 100 ℃ and numerical analyzed results are compared. The results of the experiment and numerical analysis using the 100 ℃ gas in same pressure environment, the average error factor of the hydraulic head pressures are up to 8.1 % max. This error is thought to be occurred from the boundary condition of the fluid entrance. By supplying the gas with high temperature from 600 K to 1200 K to the averaging pitot tube type differential flowmeter, all hydraulic head pressures from the total pressure, static pressure, dynamic pressure, differential pressure and downstream pressure are risen generally. Also to measure the flux, the H parameter, which can measure the flux using the head pressure measured from flowmeter is adapted. Fluid temperature from 300 K to 1200 K is analyzed using parameter, defined by the pressure differential of the flowmeter. The gradient of the curve, in accordance with the identical mass flow, increasing gradually is observed. The parameter is applied for accurate measurement but many errors are occurred to verify the accurate flux measured from the averaging pitot tube type differential flowmeter. Thus the new parameter is applied to the precedent research for the accurate flux measurement. The special characteristic of the is that the changing density value, in accordance with the dynamic pressure and gas temperature measured at averaging pitot tube type differential flowmeter is applied. As a result of applying to the analysis, the flux is measured linearly, regardless of the fluid''s temperature. Also the linear coefficient of corelation is 0.999 so it can be shown linear, and accurate flux can be measured with the application of the parameter.

#평균 피토 튜브형 차압유량계의 유량특성

요약 ⅰ
표 목차 ⅱ
그림목차 ⅱ
1. 서 론 1
2. 이론적 고찰 3
2.1 차압유량계의 종류 3
2.1.1 벤튜리 유량계 3
2.1.2 피토관 유량계 4
2.1.3 오리피스 유량계 5
2.1.4 플로우 노즐 유량계 6
2.1.5 벤튜리 콘 유량계 7
2.2 관련이론 8
2.2.1 평균 피토 튜브형 차압유량계를 이용한 유량측정 8
2.2.2 표준 질량 유량 11
2.2.3 수치해석의 입구속도 12
2.2.4 기체 밀도 13
2.2.5 H 인자의 도입 14
3. 수치해석 16
3.1 배관 내부의 유동특성 16
3.2 수력학적 입구길이 17
3.3 평균 피토 튜브형 차압유량계의 모델링 18
3.4 모델의 격자생성 20
3.5 수치해석 방법 23
3.6 지배방정식 23
3.7 경계조건 25
3.8 압력측정 방법 26
4. 결과 및 검토 27
4.1 평균 피토 튜브형 차압유량계의 주변에서 발생된 압력분포 27
4.2 평균 피토 튜브형 차압유량계의 주변에서 발생된 속도분포 29
4.3 평균 피토 튜브형 차압유량계의 실험 및 수치해석 비교 32
4.4 기체온도 변화에 따른 평균 피토 튜브형 차압유량계에 미치는 압력특성 37
4.5 평균 피토 튜브형 차압유량계의 유량측정= 42
5. 결 론 44
참고문헌 45
Abstract 47
감사의 글 49

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