개요

본 프로젝트는 CFD를 이용하여 고객사 발전기 연도의 물리현상을 모사하고 유동양상을 분석하기 위해 진행되었습니다. CFD를 수행하기 위한 유한체적모델은 범용적으로 사용되는 Ansys Fluent 2022 R2 버전을 이용하여 수행하였습니다. 3D 형상을 기반으로 유한체적모델을 작성한 후 물리현상을 모사할 수 있는 경계조건을 대입합니다. 이 때, 경계조건으로는 입구 유속, 출구 압력, 기체의 물성치 등 다양한 요소를 적용할 수 있습니다. 해석 결과로는 연도 내의 유속/압력 컨투어, 스트림라인 등이 산출됩니다.

Pre-Processing

3D geometry는 발전기연도 준공도면을 기반으로 작성하였습니다. 각 발전기의 배기구에서 하나의 연도로 합쳐져 상부로 올라갑니다. 발전기 배기구에서 연도로 합쳐질 때, 내부에 45도의 엘보를 사용하여 출구방향으로 기류를 유도하도록 되어있으며, 출구 조건의 영향을 완화하기 위해 출구방향으로 해석 영역 일부를 연장하였습니다. 한정된 CPU 자원하에서 정확하고 효율적인 CFD를 수행하기 위해서는 모델 간소화를 통해 목적에 부합한 유한체적모델을 작성해야합니다. 본 프로젝트에서는 250만개의 메쉬, Tetrahedron 형태의 격자를 사용하였습니다. 팬이 구동하는 내부 유동장을 해석하기 위해서는 Navier-Stockes 방정식이 적용되어야 합니다. 난류 모델로는 관내 유동에 일반적으로 적용할 수 있는 Realizable k-ε을 사용하였습니다. 연도는 100T 세라크울로 보온되어 있어, 연도를 지나가는 동안 열전달은 무시할 수준으로 판단되어 에너지항은 포함하지 않았습니다.

Solving

건축구조기준에 따라 수평 및 수직 지진하중을 산정하였으며, 하중조합에 따라 등가정적하중을 적용하여 Ansys mechanical을 사용하여 해석을 진행하였습니다. 또한 지진하중 부하 시 최대 발생응력과 변위를 산출 하였습니다.

Post-Processing

전체적인 결과를 보면, 각 분지관이 연결되는 45도 엘보와 메인관이 꺾이는 부분에서 와류가 발생하며 유속과 압력이 낮은 것을 볼 수 있습니다. 아래 표는 각 입구의 압력을 정리한 표입니다. 출구에서 먼곳이 1번이고 출구에서 가까운 곳이 8번입니다. 출구에 가까울수록 입구 압력이 낮고 1번 입구는 합류하는 지점의 형상이 다른 곳과는 달라 2번과 비슷한 수준으로 나타났습니다. 가장 압력이 높은 입구와 낮은 입구의 차이는 약 456Pa로 해석 되었습니다.