FLOW-3D 모델을 이용한 순환수취수펌프장 내 흐름 현상 연구
1. 서론
- 인도네시아는 전력 공급이 부족하여 화력발전소 건설이 증가하는 추세임.
- 화력발전소의 안정적 운영을 위해 순환수취수펌프장(CWP Chamber)의 설계가 필수적임.
- ANSI(1998) 설계기준에 따르면 확산각(Spreading Angle)은 20° 이내여야 하나, 현장 조건상 이를 만족할 수 없는 경우가 존재함.
- 본 연구는 FLOW-3D를 활용한 3D 수치해석을 수행하여, 안정적인 유동 조건을 확보할 수 있는 최적의 설계를 검토하는 것이 목적임.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
- RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동 해석 수행.
- FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 구조물 형상을 정확하게 반영.
- 경계 조건:
- 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
- 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
- 벽면: No-slip 조건 적용.
수치 모델 검증
- Rodi(1997)의 사각형 구조물 주위 흐름 실험 데이터와 비교하여 모델 검증 수행.
- 실험과의 비교 결과, 종방향 유속 분포가 잘 일치함을 확인함.
3. 연구 결과
순환수취수펌프장 내 흐름 분석
- 유입 유속: 1.5 m/s ~ 2.5 m/s 범위에서 변화.
- 배플(Baffle) 적용 시 유속 저감 및 유동 균등화 효과 확인.
- 배플에서 발생하는 분리 흐름 각도는 약 15° ~ 20°이며, 이를 고려하여 하류에 배플을 배치함으로써 설계 유속(0.5 m/s 이하)을 만족시킴.
4. 결론 및 제안
결론
- FLOW-3D를 이용한 수치 모델이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보이며, 안정적인 유동 조건을 예측하는 데 유용함.
- 배플을 적용한 설계를 통해 유속을 효과적으로 감소시킬 수 있음.
- 순환수취수펌프장 설계 시, 배플의 배치와 크기를 고려하는 것이 중요함.
향후 연구 방향
- 다양한 유량 조건에서 배플 형상 및 배열 최적화 연구.
- LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.
- 실제 현장 데이터를 활용한 검증 연구 진행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 순환수취수펌프장의 유동 및 난류 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 최적의 설계를 도출하여 화력발전소의 안정적 운영을 지원할 수 있는 데이터를 제공한다.
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