동축 실린더 내부 회전 유동 특성 해석
Numerical Analysis of Rotating Flow in Coaxial Cylinders
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초록
입자상 물질이 혼합된 유동장을 이용한 공학적 응용 분야에 있어서 미세먼지이나 침전물 분리 과정을 거친 청정 유동장의 생성은 중요한 핵심 요소 기술로서 친환경 에너지 활용이나 자원 활용에 다양하게 활용된다. 일반적으로 이용되는 화학적 처리나 막(Membrane) 분리와 같은 공정이 야기하는 유지 관리의 문제로 Vortex Separator를 이용한 방법이 이용되는 추세로서 유지 보수의 측면에서 매우 큰 장점을 갖는다. 이러한 Vortex Separator 적용에 있어서 가장 큰 문제점의 하나는 Taylor-Couette 유동으로 알려진 환형 와류의 형성에 의한 분리 효율 저하로 알려져 있다. 본연구에서는 Vortex Separator 내부 유동과 같이 밀폐된 영역 내에서 발생하는 회전 유동에 대한 유한 체적법 기반의 전산 유체 해석 기술의 적용을 통해 입자상 물질과 유체의 분리 특성에 대한 기술적 접근 방법을 도출하기 위하여, 동일한 축을 갖는 두 개의 실린더 사이의 회전 유동을 해석하고 기존의 연구 결과와 비교를 통하여 검증하였다. 유한체적법 기반의 3차원 점성 유동장의 비정상 해석을 수행하였으며 해석 결과를 이전의 선행 연구와 비교를 통하여 검증하였다. 본 연구의 결과로 고전적인 Taylor-Couette 유동을 재현함으로써 전산 유체 해석 기법을 이용한 Vortex Separator 내부의 회전 유동 해석이 가능함을 제시하였다.
Abstract
Separation of clean fluid out of granular flow including particulate or sediment is an essential process in the engineering for eco-friendly energy or resource. General process for the separation utilizes chemical treatments or membrane filtering, both of which always suffer from maintenance. As alternatives, mechanical processes such as vortex separator are recently applied since they require less attention during the operation. One of the primary concerns on the vortex separator is the possibility of development of vortex rings which are known as Taylor-Couette flow and will hinder the efficient separation of the particulate. This study was carried out to assess the computational technology based on finite-volume method to analyze the rotational flow, a fundamental flow regime in vortex separator technology. To achieve this goal, the rotational flow between co-axial cylinders was computationally analyzed, which successfully reproduced Taylor-Couette flow. The present approach was validated by comparison with the results of previous studies and shows the possibility of application to the rotating flow system such as vortex separator.
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