RANS 난류 모델을 이용한 직각 모서리형 오리피스 내부의 캐비테이션 유동 예측으로부터 얻은 교훈 (Lessons Learned from the Prediction of Cavitating Flow inside a Sharp-edged Orifice using Different RANS Turbulence Models)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 32권 / 5호 / 249 ~ 261페이지
· 저자명 : 이공희, 배준호

초록

본 연구에서는 가동중시험 관련 계통에 설치된 오리피스의 성능 저하 및 구조적 손상을 초래할 수 있는 오리피스 내부의 일반적인 캐비테이션 현상을 이해하기 위해 상용 전산유체역학 소프트웨어인 ANSYS CFX R18.1을 사용하여 Nurick(11)이 실험한 직각 모서리형 오리피스 내부에서 캐비테이션 유동을 해석하였다. 추가적으로 오리피스 내부의 캐비테이션 유동 해석을 위한 RANS 기반 난류 모델들의 예측 정확도를 평가하는 연구를 수행하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 2-방정식 모델의 경우, SST 모델을 사용하여 예측한 방출계수 크기는 캐비테이션 영역에서 Nurick의 상관식과 잘 일치한 반면 표준 모델은 상당히 다른 값을 제시하였다. 그 이유는 SST 모델이 유동 충돌 및 재부착, 그리고 재순환 유동이 존재할 수 있는 오리피스 내부 유동에서 표준 모델에 비해 향상된 예측 성능을 제공할 가능성이 있기 때문이다.
(2) 레이놀즈 응력 모델은 레이놀즈 응력 텐서의 개별 성분에 대한 복잡한 수송 방정식을 계산하였음에도 불구하고 2-방정식 모델(RNG 및 SST 모델)과 비교하여 예측한 방출계수 크기에서 중요한 개선을 나타내지 못했다.
(3) 본 연구를 통해서 난류 모델이 오리피스 캐비테이션 유동 해석에서 불확도를 제공하는 주요 인자들 중 하나임을 확인하였다. 따라서, 원자력발전소 운영자는 오리피스 캐비테이션 유동 해석 결과를 인허가 서류의 기초 자료로 사용할 경우 적절한 난류 모델이 선정되었는지 여부를 주의깊게 확인할 필요가 있다.
본 연구에 적용된 수치 모델링 및 도출된 계산 결과는 캐비테이팅 벤츄리, 원심 펌프 및 다단 감압 오리피스와 같은 다른 가동중시험 관련 기기에서 발생한 캐비테이션 유동 해석에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

영어초록

In-service testing (IST) related system in the nuclear power plant has various types and sizes of orifices for flow control and decompression. Rapid flow acceleration and accompanying pressure drop may cause cavitation inside the orifice, which may result in orifice degradation and structural damage. Since cavitating flows involve complex turbulent two-phase flows, the accurate simulation of this flow by using the available computational fluid dynamics (CFD) software is still a great challenge. In this paper, to assess the prediction accuracy of different Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS)-based turbulence models for the analysis of cavitating flow inside a sharp-edged orifice, the simulation was conducted with the commercial CFD software, ANSYS CFX R18.1. The predicted results were then compared with the correlation based on measured data. Through this comparative study, it was concluded that turbulence models are one of the main factors providing the uncertainties in the simulation of the orifice cavitation flow and therefore, licensing applicants should carefully validate the appropriate selection of the turbulence models when they use the computational result for the orifice cavitation flow as the base data of a licensing document.

참고자료

· 없음