실험계획법을 이용한 노즐 형상 변화에 따른 공동유동 해석

Abstract

좁은 관로에서 고압의 상태로 액체를 분출시키면 급격한 압력 강하로 인해 액체의 압력이 포화증기압력 이하로 낮아지게 된다. 이때 국부적인 공동현상과 함께 무수히 많은 증기기포가 생성된다. 이 기포들은 다시 포화증기압력 이상의 압력에서 매우 짧은 시간 안에 응축 및 붕괴가 일어난다. 이 과정은 연속적으로 발생하며 충격파와 함께 음파발광 현상을 동반한다. 이러한 공동현상에서 기인되는 공동에너지는 여러 산업분야에서 유용하게 사용되고 있으며, 이를 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다. 공동에너지를 이용하기 위한 연구에서 노즐의 형상은 중요한 설계 인자이다. 그러나 기존에는 단공 노즐에 치중되어 연구되었다. 따라서 본 논문에서는 공동에너지 발생에 대한 다공 노즐 형상 변화의 영향을 파악하고자 하였다. 이를 위해 실험계획법을 이용하여 다공 노즐의 형상 설계 변수(직경, 간격, 배열, 길이)에 따른 공동에너지 발생을 분석하여 다공노즐과 비교하였다. 이때 실험과 수치해석 결과의 비교를 통해 난류운동에너지를 결과 분석의 기준으로 제시하였으며, 다공 노즐에서 공동에너지를 최대화 시킬 수 있는 설계 변수를 도출하였다. 도출 된 노즐의 결과를 단공 노즐의 결과와 비교하였을 때 공동에너지 발생에 더 유리함을 확인 할 수 있었다. 추가적으로 노즐의 경우 고압의 작동 환경에 오랜 시간 노출되기 때문에 유동-구조 연성해석을 수행하여 구조적 안정성을 확인하였다.