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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

심현석 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수
김광용
발행연도
2020
저작권
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수29

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이 논문의 연구 히스토리 (6)

초록· 키워드

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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.

목차

I. Introduction 1
1. Introduction 2
1.1 Backgrounds 2
1.2 Literature survey 5
1.2.1 Suction recirculation and cavitation 5
1.2.2 Flow instability 7
1.2.3 Design optimization of turbomachinery 10
1.3 Motivation and objectives 12
1.4 Document structure 13
II. Methodology 15
2. Numerical Methods 16
2.1 Governing equations 16
2.1.1 Conservation equations 16
2.1.2 Reynolds-averaged Navier-Stokes equations 16
2.1.3 Shear-stress transport turbulence model 17
2.1.4 Multi-phase flow analysis 19
2.2 Numerical tool and scheme 20
2.3 Centrifugal pump models 20
2.4 Computational domain and boundary conditions 21
2.5 Computational grid systems 25
2.6 Convergence criteria and temporal resolution 27
2.7 Validation 28
2.8 Summary 32
3. Optimization Methodology 33
3.1 Problem formulation 33
3.2 Sensitivity analysis 34
3.3 Design of experiments 35
3.4 Surrogate Models 36
3.4.1 Kriging model 36
3.4.2 Response surface approximation model 36
3.5 Multi-objective genetic algorithm 37
3.6 K-means clustering 38
3.7 Summary 39
III. Suction Recirculation and Cavitation 40
4. Analysis and Design Optimization of Impeller to Reduce Suction Recirculation and Cavitation 41
4.1 Introduction 41
4.2 Geometric parameters 41
4.3 Objective functions 43
4.4 Results and discussion 45
4.4.1 Sensitivity analysis 45
4.4.2 Optimization results 46
4.4.3 Hydraulic performance 51
4.4.4 Internal flow analysis 53
4.5 Summary 56
5. Effects of Volute Cross-Sectional Area on Suction Recirculation and Cavitation 57
5.1 Introduction 57
5.2 Geometric parameters 57
5.3 Results and discussion 58
5.3.1 Hydraulic performance 58
5.3.2 Suction recirculation 59
5.3.3 Suction performance and cavitation 66
5.4 Summary 72
IV. Flow Instability 74
6. Relationship between Hydraulic Performance and Flow Instability 75
6.1 Introduction 75
6.2 Performance parameters 75
6.3 Results and discussion 76
6.3.1 Hydraulic performance 76
6.3.2 Flow instability inside volute 78
6.3.3 Flow instability inside impeller 83
6.3.4 Flow instability by interaction between impeller and volute 86
6.4 Summary 90
7. Design Optimization of Impeller and Volute to Improve Hydraulic Performance and Flow Stability 92
7.1 Introduction 92
7.2 Geometric parameters 92
7.3 Objective and constraint functions 93
7.4 Results and discussion 94
7.4.1 Sensitivity analysis 94
7.4.2 Multi-objective optimization 96
7.4.3 Hydraulic performance 99
7.4.4 Unsteady flow analysis 102
7.5 Summary 110
V. Conclusions 111
8. Conclusions 112
8.1 Concluding remarks 112
8.2 Suggestions for future work 113
References 116
Author’s Publications 125

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