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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 손동우
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 한국해양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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많은 수의 고체입자로 이루어진 충전층(packed beds)은 유체와의 화학적, 열-기계적인 상호작용을 증대하기 위한 개념으로 화학, 원자력, 핵융합 등 다양한 공학분야에서 널리 활용된다. 본 연구에서는 충전층에서의 고체입자를 크기분포와 부피분율을 다양한 관점으로 접근하여 유체유동 특성에 대해 파악하는 연구를 진행하였다. 여기에서 크기분포는 정규분포와 균일분포로 접근하며, 또한 부피분율은 높은 편에 해당하는 60~68% 범위 내에서 연구를 진행하였다. 다수의 고체입자의 거동을 표현하기 좋은 기법인 이산요소법(Discrete element method, DEM)은 최근에 많은 상용프로그램에서 널리 사용되고 있다. 하지만, 상용프로그램으로는 본 연구에서 원하는 고체입자의 크기분포에 맞춰 적용하기에 어려움이 있으며, 높은 부피분율의 충전층을 얻는 과정에서 많은 노력이 요구된다. 이를 극복하기 위해 검사체적영역에서 고체입자를 충분히 적층하고 영역의 크기를 줄여가며 높은 부피분율의 충전층을 얻었다.
위 과정을 통하여 얻은 충전층의 유체유동 특성을 파악하기 위해서 전산유체역학(Computational Fluid dynamics, CFD)을 통하여 접근하였다. 하지만, 이 작업 과정에서 입자와 입자사이에 격자구성에서 어려움을 동반하였고, 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 과도하게 작은 양의 겹침(overlap)이 발생한 입자에 대해 크기를 확대하였으며, 이는 충전층 모델에 대해 부피분율이 거의 변하지 않도록 미세하게 조정하였다. 위와 같은 작업을 통하여 격자구성의 어려움을 극복하며 전산유체역학 해석을 진행하였으며, 상용프로그램 Star-CCM+를 이용하였다. 유체유동 특성은 충전층이 유동에 대한 저항으로 입구와 출구에 대한 압력강하를 전산유체역학을 통하여 얻었으며, 충전층의 압력강하 방정식인 Ergun’s equation과 Kozeny-Carman equation을 통한 수치 결과를 비교하였다.
위 과정을 통하여 얻은 충전층의 유체유동 특성을 파악하기 위해서 전산유체역학(Computational Fluid dynamics, CFD)을 통하여 접근하였다. 하지만, 이 작업 과정에서 입자와 입자사이에 격자구성에서 어려움을 동반하였고, 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 과도하게 작은 양의 겹침(overlap)이 발생한 입자에 대해 크기를 확대하였으며, 이는 충전층 모델에 대해 부피분율이 거의 변하지 않도록 미세하게 조정하였다. 위와 같은 작업을 통하여 격자구성의 어려움을 극복하며 전산유체역학 해석을 진행하였으며, 상용프로그램 Star-CCM+를 이용하였다. 유체유동 특성은 충전층이 유동에 대한 저항으로 입구와 출구에 대한 압력강하를 전산유체역학을 통하여 얻었으며, 충전층의 압력강하 방정식인 Ergun’s equation과 Kozeny-Carman equation을 통한 수치 결과를 비교하였다.
목차
목 차List of Tables iiiList of Figures ivAbstract vi1. 서 론 11.1 연구배경 11.2 연구 목적 22. 이산요소법과 충전층 모델링 32.1 이산요소법의 이론 42.1.1 헤르츠 접촉 42.2 입자 선정 72.2.1 정규분포 72.2.2 균일분포 82.3 부피분율 102.3.1 주기경계조건와 부피분율 제어 112.3.2 유체 격자망 생성을 위한 겹침 수정 133. 전산유체역학를 통한 해석 173.1 격자 생성 183.2 전산유체역학 해석을 위한 조건 부여 203.3 해석결과 223.4 해석결과에 따른 압력강하 분석 233.5 모델링 유효성 평가 263.5.1 도메인 길이에 대한 유효성 평가 253.5.2 주기경계조건을 통한 무한영역 모사 적합성 평가 274. 충전층의 유체유동 저항에 대한 압력강하 314.1 Sauter Mean Diameter 324.2 수정된 레이놀즈 수 334.3 경험적인 압력강하식 344.3.1 Ergun’s equation 344.3.2 Kozeny-Carman equation 354.4 압력강하식을 통한 압력강하 비교 354.4.1 동일한 입자 크기를 가지는 충전층에서의 압력강하 비교 364.4.2 정규분포에서의 압력강하 비교 374.4.3 균일분포에서의 압력강하 비교 375. 결 론 39참고문헌 41
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