Optimization and Analysis of Biomimetic Tubercle Trailing Edge for Impeller in a Centrifugal Pump
- 주제어 (키워드) Centrifugal pump , Biomimetics , Tubercle , Optimization , Flow control , Vortex breakdown , Turbulent kinetic energy , Pressure fluctuation , Entropy generation rate
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 강성원
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000078922
- UCI I804:11029-000000078922
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
펌프는 전 세계 전동기에서 소모되는 에너지 소모량의 가장 큰 비율을 차지하고 있으며, 펌프 효율의 향상은 에너지 절약에 큰 영향을 미친다. 생체 모방 공학은 유체 기계와 항공 분야 등에서 많이 사용되어 왔으며, 항력과 진동, 소음 감소와 같은 제어를 한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 생체 모방 기반의 tubercle 형상을 원심펌프 impeller trailing edge에 적용하여 최적화를 수행하고 유동장을 분석하여 tubercle의 유동제어가 성능 향상에 미치는 원인을 분석하였다. 최적화는 두 단계로 진행되었으며, sine파 형태의 tubercle의 최적화와, 이 결과를 바탕으로 tubercle의 개별 높이를 조절한 최적화를 수행하였다. 설계변수별 펌프 성능과 유동장에 미치는 경향을 분석하였고, 가장 높은 성능을 보이는 최적형상을 도출하였다. 다단 펌프의 stage별 inflow 특성 차이를 고려하여 inflow에 따른 최적화도 수행하였다. Trailing edge에 tubercle을 적용시켰을 경우 기존 펌프에 비해 효율이 증가하고 turbulent kinetic energy (TKE)가 감소하였다. 설계 변수에 따라서는 tubercle의 높이와 개수가 증가할수록 효율이 증가하고 TKE가 감소하는 경향성을 보였다. 개별 높이의 tubercle에서는 특정 tubercle이 결과에 영향을 크게 미쳤다. Tubercle의 유동제어를 분석하기 위해 vortex를 가시화하여 비교한 결과 spanwise vortex가 streamwise vortex로 구조가 변화한 것을 확인하였다. Tubercle의 위쪽과 아래쪽에서 반대로 회전하는 counter-rotating streamwise vortices가 생성되었고, vortex pair의 상호작용으로 인한 instability로 vortex breakdown이 일어나 turbulent intensity가 감소하는 결과로 이어졌다. 유동장의 turbulent fluctuation과 pressure fluctuation을 비교하였을때, tubercle을 적용시켰을 경우 wake region과 diffuser leading edge 지역에서 fluctuation이 감소하였으며, pressure fluctuation의 경우 blade passing frequency에서 크게 진폭이 감소하였다. 에너지 손실을 분석하기 위해 지역별로 entropy generation rate (EGR)을 분석하였고, turbulent fluctuation이 감소한 지역에서 동일하게 EGR이 감소하였다. Trailing edge 지역에서는 tubercle을 적용시켰을 때 EGR이 증가하였는데 이는 vortex breakdown으로 인한 dissipation이 증가했기 때문이었다. Trailing edge 지역에서 vortex를 breakdown 시킴으로써 펌프내 전체 영역에서 turbulent intensity와 에너지 손실이 감소하였고, 성능 향상의 결과로 이어졌다.
more목차
1 Introduction 1
2 Geometry of pump and trailing edge tubercle optimization process 4
2.1 Geometry of centrifugal pump 4
2.2 Trailing edge tubercle design and optimization process 8
3 Numerical methods and governing equation 14
3.1 RANS numerical method 14
3.2 LES numerical method 18
4 Results and discussion 21
4.1 Optimization result of tubercle trailing edge with RANS simulation 21
4.1.1 Sinusoidal tubercle trailing edge optimization result 21
4.1.2 Separate height tubercle trailing edge optimization result 27
4.2 Analysis of flow control of tubercle trailing edge with RANS simulation 38
4.3 Analysis of suppression of turbulent fluctuation and dissipation with LES 45
5 Conclusion 63
References 65
