헬리컬 코일 튜브에서의 유동 영역에 따른 마찰계수와 수격 현상에 대한 실험적 연구 :Experimental study of friction factors for flow regimes and water hammer in helical coil tubes

박원기

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박원기 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 최병일

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

헬리컬 코일 튜브에서의 유동 영역에 따른 마찰계수와 수격 현상에 대한 실험적 연구

박원기 2018.01 학위논문

헬리컬 코일 튜브에서의 층류, 천이, 난류 영역의 마찰계수에 대한 실험적 연구

박원기 , 김태훈 , 도규형 외 2명 한국안전학회지 2018.01 학술저널

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튜브라인에서 발생하는 수격 현상은 급격한 압력 변화를 초래하여 튜브라인에 설치된 밸브와 같은 시설물을 파손시킬 수 있다. 이러한 현상은 헬리컬 코일 튜브를 사용하는 설비에서도 발생할 수 있으므로 이에 따른 수격 현상을 예측하기 위해서는 유동 영역에 따른 마찰계수를 예측할 수 있어야 한다. 헬리컬 코일 튜브에서의 마찰계수는 헬리컬 코일의 지름, 튜브의 지름, 코일의 피치 등 헬리컬 코일 튜브의 형상에 따라 달라진다.
본 연구에서는 층류 영역부터 난류 영역까지의 마찰계수를 관찰하기 위해 529≤Re≤42,950의 범위에서 헬리컬 코일 튜브의 차압을 측정하였다. 실험에 사용된 헬리컬 코일 튜브의 재질은 구리이고, 헬리컬 코일의 지름과 튜브의 지름비를 의미하는 헬리컬 코일 튜브의 곡률비를 24.5, 42.7, 70.0 그리고 90.9로 달리하면서 실험이 진행되었다. 수격 현상에 대한 실험을 위해 헬리컬 코일 튜브의 곡률비가 90.9인 헬리컬 코일 튜브가 사용되었고, 실험을 통해 구한 헬리컬 코일 튜브에서의 마찰계수를 수격 현상 모델에 적용하여 실험 결과와 해석 결과를 비교하였다.
결론적으로 헬리컬 코일 튜브에서의 마찰계수를 살펴보면 헬리컬 코일 튜브의 곡률비가 감소함에 따라 헬리컬 코일 튜브에서의 전체적인 마찰계수가 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 헬리컬 코일 튜브의 곡률비가 감소함에 따라 임계 레이놀즈수와 천이 영역의 범위가 증가하였다.
헬리컬 코일 튜브에서의 수격 현상으로 인한 압력 변화는 유량이 증가함에 따라 크게 나타났고, 시간이 흐름에 따라 일정한 주기를 가지면서 감쇠하는 모습을 보였다. 수격 현상에 대한 실험 결과는 수격 현상 모델과 비교하여 압력 변화의 첫 주기에는 정상 마찰 모델 및 비정상 마찰 모델과 잘 일치했다. 하지만, 압력 변화의 주기가 반복될수록 비정상 마찰 모델이 정상 마찰 모델 보다 압력 감쇠가 빠르게 발생했고, 실험 결과는 비정상 마찰 모델과 일치하는 것을 확인하였다.
본 실험에서 얻은 결과는 헬리컬 코일 튜브를 활용하는 플랜트 설비를 설계함에 있어서 수격 현상을 예측할 수 있는 자료로 사용될 수 있다.

Water hammer occurring in the tube line can lead to rapid pressure changes, which can damage facilities such as valves installed in the tube line. Water hammer may occur even in facilities using helical coil tubes. Therefore, in order to predict water hammer phenomena in the helical coil tubes, it is necessary to predict the friction factors in the helical coil tubes according to the flow regimes. The friction factors according to the flow regimes in helical coil tubes depend on the coil diameter, the tube diameter, and the coil pitch.
Experiments were carried out by measuring the differential pressures in the range of 529≤Re≤42,950 to observe the flows from the laminar to the turbulent regime. The helical coil tubes used in the experiments were made of copper. The curvature ratios of the helical coil tubes, which means the ratio of helical coil diameter to inner diameter of the helical coil tube are 24.5, 42.7, 70.0 and 90.9. A helical coil tube with a curvature ratio of 90.9 was used for the experiments on water hammer. The friction factors in the helical coil tube obtained from the experiments were applied to water hammer models, and the experimental results and the analysis results were compared.
Experimental data showed that the friction factors in the helical coil tubes increased as the curvature ratios of the helical coil tubes decreases. Also, as the curvature ratios of the helical coil tubes decrease, the critical Reynolds numbers and the range of the transition flow regime increased.
The pressure variations due to water hammer in the helical coil tubes increased with increasing flow rate and showed a damping with a constant period with time. Experimental results on water hammer corresponded to the steady friction model and the unsteady friction model in the first cycle of pressure variation. However, as the cycles of pressure variations were repeated, the unsteady friction model showed faster pressure damping than the steady friction model. In conclusion, the experimental results on water hammer corresponded to the unsteady friction model.
The results obtained in this experimental study can be used as data for predicting water hammer phenomena in designing the plant facilities using the helical coil tubes.

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 동향 4
3. 연구 목적 7
Ⅱ. 배경 지식 8
1. 레이놀즈수와 딘수 8
2. 입구 영역 9
3. 헬리컬 코일 튜브에서의 마찰계수 10
4. 불확도 분석 11
5. 수격 현상 12
가. 수격 현상으로 인한 압력 수두의 변화와 압력파의 속도 12
나. 연속 방정식 14
다. 운동량 방정식 20
라. 지배 방정식의 풀이 24
마. 비정상 마찰 모델의 적용 29
Ⅲ. 실험 방법 34
1. 헬리컬 코일 튜브에서의 마찰계수 34
2. 헬리컬 코일 튜브에서의 수격 현상 36
3. 실험 장치의 검증 37
Ⅳ. 결과 및 고찰 41
1. 유량별 레이놀즈수와 딘수 및 거리에 따른 압력 강하 41
2. 헬리컬 코일 튜브에서의 마찰계수 43
3. 실험으로 구한 마찰계수와 기존 상관식으로 구한 마찰계수의 비교 45
가. 층류 영역 45
나. 천이 영역 50
다. 난류 영역 54
4. 헬리컬 코일 튜브에서의 마찰계수와 직선 튜브에서의 마찰계수 비교 57
5. 헬리컬 코일 튜브에서의 수격 현상 61
가. 유량별 수격 현상에 따른 압력 변화와 증기 공동 61
나. 수격 현상 실험 결과와 정상 및 비정상 마찰 모델과의 비교 65
다. 증기 공동이 발생한 경우의 수격 현상 실험 결과와 정상 마찰 모델의 비교 69
Ⅴ. 결 론 72
참고문헌 74

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