원심펌프는 외부 동력원에 의한 회전 운동 에너지를 유체의 에너지로 변환하여 액체를 이송하는 기기로써, 대표적인 고 에너지 소비 장치 중 하나이기 때문에 고효율 설계에 대한 요구가 증대되고 있다. 한편, 원심펌프는 탈 설계 조건에서 운전할 경우 복잡한 유체 유동에 의해 구조적인 문제, 진동 그리고 로터 동역학적 불안정성 등을 유발하여 원심펌프의 작동 안정성을 저해하게 된다. 그 중요성에도 불구하고, 회전하는 유체의 동적 특성 그리고 기체-액체 이상류 조건에서의 유동 특성 등의 원심펌프의 유체역학은 아직 충분히 연구되지 못하였다. 본 논문에서는 원심펌프의 수력성능 및 내부 유동을 예측하고자 전산 유체역학을 이용한 유동해석을 수행하였다. 또한, 원심펌프의 형상변수가 작동안정성과 수력성능에 미치는 영향을 파악하여 유동의 효과적인 제어를 위한 설계 방안에 대해 연구하고자 하였다. 원심펌프 내부 유동을 조사하기 위해 본 연구에서는 삼차원 정상 및 비정상 레이놀즈-평균 나비어-스톡스 방정식의 해석을 사용하였다. 다상 유동해석을 위해서 같은 속도와 압력을 가지는 균일의 기체와 액체로 가정한 혼합 모델을 기반으로 지배 방정식을 구성하였다. 난류모델과 공동 모델로는 각각 전단 응력 수송 모델과 단순화된 Rayleigh-Plesset 모델을 사용하였다. 지배방정식의 이산화를 위해 유동장은 사면체와 육면체 격자계에 의해 구성되었다. 유동해석에 의해 도출된 양정계수와 3% 양정 감소에 대한 임계 캐비테이션 수는 실험 값들과 비교하여 합리적인 일치를 보였으며, 이를 통해 본 연구를 위해 사용된 수치해석 방법의 신뢰성을 입증하였다. 임펠러의 형상이 수력성능, 흡입 재순환과 공동 현상에 미치는 영향을 파악하기 위해 임펠러 입구에서의 폐쇄율과 양정 감소에 대한 임계 캐비테이션 수, 그리고 수력효율을 성능함수로 선정하여 형상 변수들의 민감도 분석을 수행하였다. 그 결과, 폐쇄율은 임펠러 전단의 위치에 의해 지배적인 영향을 받는 반면, 임계 캐비테이션 수는 임펠러 쉬라우드 부근 형상 변수들에 의해 복합적인 영향을 받는 것을 확인하였다. 크리깅 모델으로 대리모델을 구성하여 유전알고리즘을 사용한 삼중목적 최적설계의 결과는 효율의 큰 변화 없이 흡입 재순환과 공동 현상을 동시에 개선할 수 있음을 확인하였다. 벌류트가 흡입 재순환과 공동 현상에 미치는 영향을 파악하기 위해 벌류트의 단면적을 결정하는 상수에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 벌류트 형상에 의해 최고효율점의 위치를 비롯한 양정계수 곡선의 기울기가 변화하는 것을 확인하였으나, 흡입 재순환의 발생 시점과 발달에는 큰 영향을 미치지 않았다. 두드러진 변화는 흡입성능에서 확인되었는데, 벌류트의 단면적이 감소할수록 고 유량에서의 임계 캐비테이션 수가 급격히 증가함을 보였다. 임펠러와 벌류트 그리고 펌프 내에서 발생하는 유동 불안정성의 상관관계를 조사하기 위해 양정 계수를 임펠러의 양정 계수 및 벌류트 압력 회복 계수로 분할하는 방법을 적용하였다. 부분 부하 조건에서 벌류트 내부, 임펠러 상류, 그리고 임펠러 출구와 벌류트 입구의 경계 부근에서 세 가지 유형의 서로 다른 유동 불안정성을 관측하였다. 이러한 유동 불안정 현상들의 발단과 성능곡선들의 상관관계를 논의하였으며, 이 중 벌류트 내에서 발생하는 유동 불안정성의 발단과 벌류트 압력회복 계수의 기울기가 양이 되는 시점이 동일한 것은 주목할 만하였다. 이 후 원심펌프의 수력효율과 벌류트 압력 회복 계수가 최대가 되는 유량을 목적함수로 하는 다중목적 최적화를 수행하였다. 민감도 분석 결과에 따라 블레이드 출구 각도, 임펠러 출구 너비를 결정하는 상수 및 벌류트의 단면적을 결정하는 상수를 최적화를 위한 설계변수로 선정하였다. 반응면 기법과 유전 알고리즘을 사용하여 도출된 파레토-최적해들은 기본 설계와 비교하여 향상된 결과 값을 보여줌으로써, 수력성능과 작동안정성을 확보한 임펠러-벌류트 설계 조합을 구성하였음을 알 수 있었다.
Centrifugal pumps are devices that transport liquids by the transmission of rotational kinetic energy of electric motor to the hydrodynamic energy. Since centrifugal pumps are one of the representative high energy consumption devices, the importance of the high-efficiency design of the pump is getting attention. Meanwhile, centrifugal pumps may suffer severe vibrations and malfunctions induced by fluid flows when they are operated in off-design conditions. However, the hydrodynamic phenomena in centrifugal pumps have not been fully understood yet because the dynamic characteristics of rotating fluids and behavior of gas-liquid two-phase flows are quite complex. In this work, numerical analyses were performed using computational fluid dynamics to predict the hydraulic performance and internal flow of centrifugal pumps. The effects of geometric parameters on the hydraulic performance and operating stability of centrifugal pumps were investigated to study the design methodology for the optimal flow control. Three-dimensional steady and unsteady Reynolds-average Navier-Stokes equations were solved to investigate the flow inside centrifugal pumps. For multi-phase flow analysis, governing equations were constructed based on a two-phase mixture model for vapor and liquid, which is assumed as a homogeneous mixture with the same velocity and pressure. The k-ω based shear stress transport model and a simplified Rayleigh-Plesset model were used as turbulence and cavitation models, respectively. Fluid domains were filled by tetrahedral and hexahedral meshes for the discretization. The head curve and the critical cavitation number for the head-drop of 3% obtained by numerical simulations showed reasonable agreement with those obtained by the experiments so that the numerical accuracies were successfully validated. The blockage at the impeller inlet, the critical cavitation number for head-drop of 3%, and the hydraulic efficiency were selected as performance parameters to investigate the effect of the impeller on the hydraulic performance, suction recirculation, and cavitation. The results of the sensitivity analysis showed that the leading-edge of the rotor mainly affected the blockage, while the critical cavitation number was influenced by the geometric parameters near the shroud. Through the three-objective optimization using a Kriging model and genetic algorithm, the suction recirculation and cavitation could be improved simultaneously without the decrease in hydraulic efficiency. A parametric study was also performed to investigate the effects of the volute cross-sectional area on suction recirculation and cavitation. The results showed that the volute shape did not significantly affect the onset and development of the suction recirculation. However, a noticeable change was identified in the suction performance, showing that the critical cavitation number at a high flow rate increased rapidly as the cross-sectional area of the volute decreased. To investigate the effects of the impeller and volute on the flow instability, the pump total-to-static head coefficient was divided into the impeller total-to-static head coefficient and the volute static pressure recovery coefficient following Dean''s method. Three different flow instabilities were observed: inside the volute, upstream of the impeller, and near the interface between the impeller outlet and the volute inlet. The correlations between the flow instability and the performance curves were discussed. It was noted that both the onset of the flow instability in the volute and the change in the slope of the volute pressure recovery coefficient occurred at almost the same flow rate. Then, a multi-objective optimization was performed to maximize hydraulic efficiency and to minimize the flow rate where the volute pressure recovery coefficient becomes maximum. Through sensitivity analysis, the blade outlet angle, the constants in determining the impeller outlet width, and the cross-sectional area of the volute were selected as design variables. The Pareto-optimal designs obtained by using the response surface approximation model and the genetic algorithm showed the improved objective function values compared to the baseline design.
목차
I. Introduction 11. Introduction 21.1 Backgrounds 21.2 Literature survey 51.2.1 Suction recirculation and cavitation 51.2.2 Flow instability 71.2.3 Design optimization of turbomachinery 101.3 Motivation and objectives 121.4 Document structure 13II. Methodology 152. Numerical Methods 162.1 Governing equations 162.1.1 Conservation equations 162.1.2 Reynolds-averaged Navier-Stokes equations 162.1.3 Shear-stress transport turbulence model 172.1.4 Multi-phase flow analysis 192.2 Numerical tool and scheme 202.3 Centrifugal pump models 202.4 Computational domain and boundary conditions 212.5 Computational grid systems 252.6 Convergence criteria and temporal resolution 272.7 Validation 282.8 Summary 323. Optimization Methodology 333.1 Problem formulation 333.2 Sensitivity analysis 343.3 Design of experiments 353.4 Surrogate Models 363.4.1 Kriging model 363.4.2 Response surface approximation model 363.5 Multi-objective genetic algorithm 373.6 K-means clustering 383.7 Summary 39III. Suction Recirculation and Cavitation 404. Analysis and Design Optimization of Impeller to Reduce Suction Recirculation and Cavitation 414.1 Introduction 414.2 Geometric parameters 414.3 Objective functions 434.4 Results and discussion 454.4.1 Sensitivity analysis 454.4.2 Optimization results 464.4.3 Hydraulic performance 514.4.4 Internal flow analysis 534.5 Summary 565. Effects of Volute Cross-Sectional Area on Suction Recirculation and Cavitation 575.1 Introduction 575.2 Geometric parameters 575.3 Results and discussion 585.3.1 Hydraulic performance 585.3.2 Suction recirculation 595.3.3 Suction performance and cavitation 665.4 Summary 72IV. Flow Instability 746. Relationship between Hydraulic Performance and Flow Instability 756.1 Introduction 756.2 Performance parameters 756.3 Results and discussion 766.3.1 Hydraulic performance 766.3.2 Flow instability inside volute 786.3.3 Flow instability inside impeller 836.3.4 Flow instability by interaction between impeller and volute 866.4 Summary 907. Design Optimization of Impeller and Volute to Improve Hydraulic Performance and Flow Stability 927.1 Introduction 927.2 Geometric parameters 927.3 Objective and constraint functions 937.4 Results and discussion 947.4.1 Sensitivity analysis 947.4.2 Multi-objective optimization 967.4.3 Hydraulic performance 997.4.4 Unsteady flow analysis 1027.5 Summary 110V. Conclusions 1118. Conclusions 1128.1 Concluding remarks 1128.2 Suggestions for future work 113References 116Author’s Publications 125