• Tribology and Lubricants
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• 제38권2호
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• pp.33-40
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• 2022

In this study, we present rotor dynamic analysis and operation test of a turbo expander for a hydrogen liquefaction plant. The turbo expander consists of a turbine and compressor wheel connected to a shaft supported by two hydrostatic radial and thrust bearings. In rotor dynamic analysis, the shaft is modeled as a rigid body, and the equations of motion for the shaft are solved using the unsteady Reynolds equation. Additionally, the operating test of the turbo expander has been performed in the test rig. Pressurized helium is supplied to the bearings at 8.5 bar. Furthermore, we monitor the shaft vibration and flow rate of the helium supplied to the bearings. The rotor dynamic analysis result shows that there are two critical speeds related with the rigid body mode under 40,000 rpm. At the first critical speed of 36,000 rpm, the vibration at the compressor side is maximum, whereas that of the turbine is maximum at the second critical speed of 40,000 rpm. The predicted maximum shaft vibration is 3 ㎛, whereas sub-synchronous vibration is not presented. The operation test results show that there are two critical speeds under the rated speed, and the measured vibration value agrees well with predicted value. The measured flow rate of the helium supplied to the bearing is 2.0 g/s, which also agrees well with the predicted data.

• Tribology and Lubricants
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• 제38권5호
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• pp.213-221
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• 2022

This paper presents performance measurements of pressure drop and leakage flow rate of test flat seals with asymmetric inclined grooves. This study aims to reveal the influence of groove shapes, often machined in radial film riding-face seals, in forming a hydrodynamic wedge on leakage performance. A test facility was developed, and test seals were manufactured to study the effects of the inlet pressure level, ratio of inlet to outlet pressure, seal groove length, and seal groove height on the steady-state pressure drop and leakage performance. A series of tests were conducted, and the test data were compared to the predictions from a simple and efficient mathematical model using a one-dimensional Reynolds equation. The test results revealed that an increase in the inlet pressure increased the pressure drop through the test seals. The leakage flow rate increased significantly as the inlet pressure and ratio of the inlet to outlet pressure increased. The groove shape also affects seal performance. An increase in the groove length and height resulted in an evident increase in the leakage flow rate. The simple model predictions underestimated the leakage flow rates but showed good agreement with the trend in the measurements for all test operating conditions and changes in the groove shape.

• 대한기계학회논문집A
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• 제36권10호
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• pp.1139-1146
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• 2012

P1 비순응 요소를 이용하여 정상 비압축성 Navier-Stokes 유동의 위상최적화 문제를 푸는 방법을 제시한다. 본 연구는 Stokes 유동의 위상최적화 문제에 P1 비순응 요소를 적용하여 그 수치적 효용성을 보인바 있는 이전 연구에 대한 후속 연구이다. 비압축성 물질 해석에서 잠김현상이 발생하지 않으며 선형형상함수를 가지는 P1 비순응 요소의 장점이 관성항을 가지는 유체 문제의 해석과 설계에도 유효한 지를 파악하고자 한다. 일반적으로 사용되는 혼합정식화법과 비교하여 P1 비순응 요소의 사용은 벌칙 함수를 이용하여 연속 방정식을 따로 사용하지 않고 운동방정식에 부과할 수 있기 때문에 자유도의 개수를 감소시킬 수 있다. 벌칙 파라미터가 해의 정확도에 주는 영향과 적정 범위는 수치적으로 검토하도록 한다. 또한 보통의 사각 비순응 요소들이 요소면의 중앙에 절점을 가지고 고차의 형상함수를 지니는데 비하여, 본 연구에서 제시하는 P1 비순응 요소는 요소의 꼭지점에 절점을 가지고 {1, x, y}의 P1 형상함수로 구성됨으로써 수치적인 구현의 용이함이 일반 선형 사절점 요소와 동일하다. 제안한 방법의 효용성을 다양한 레이놀즈수에 따른 유동최적화 문제들을 살펴봄으로써 검증하도록 한다.

• KSTLE International Journal
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• 제7권2호
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• pp.27-34
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• 2006

Knudsen number is the ratio of molecular mean free path versus mm thickness and the criterion to determine the flow form. When its value is lower than 0.01, the flow can be assumed to has no slip boundary condition. And in the case that the value is between 0.01 and 10, then the flow has slip boundary condition at both the adjacent walls. The condition of the air flow between the rotating journal and top foil in the air foil bearing is determined by the rotating speed and load, and the Knudsen number is also varied by those values. Because the molecular mean free path is variable to the pressure and temperature, more exact formulation is necessary to understand and analyze the flow regime. In this study, the analysis considering Knudsen number formulated with those variables (pressure, temperature and mm thickness) was executed. The approximate value was examined using the equation to confirm whether the flow has the slip or no-slip boundary condition. From the analytic investigation, it was decided to range approximately 0.01 to 1.0 and the flow can be supposed to have the slip boundary condition. Under the condition of the slip flow, the static characteristics of the air foil bearing were examined using modified Reynolds equations. The results were compared with those considering no slip condition. It shows that the slip condition makes the flow decelerates and the load carrying capacity decreases compared with no slip condition. And as the bearing number and eccentricity ratio increase, the load carrying capacity also increased at both the cases. From this result, it can be supposed that the bearing torque also increases. In the analysis of the dynamic characteristics, the perturbed Knudsen number was taken into consideration. Because the Knudsen number is expressed as the terms of each variable, the perturbed equation can be simply derived. The results of both cases considering and not considering Knudsen number were compared each other. In the case of the direct terms of the stiffness and damping coefficients, the difference between both cases was little and increased as the bearing number and eccentricity ratio increased. And the cross terms have less or more differences.

• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제28권6호
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• pp.332-349
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• 2016

OLAFOAM은 파동역학의 시뮬레이션을 위하여 $OpenFOAM^{(R)}$을 확장한 강력한 CFD코드이며, $OpenFOAM^{(R)}$은 다양한 분야에서 각각 수치계산의 목적에 대응할 수 있도록 많은 Solver를 제공하고 있다. OLAFOAM의 기본방정식은 VARANS식에 기초하고, 수치기법으로는 유한체적법을 적용하며, 프로그램은 C++로 코딩되어 Linux운영체제에서 실행된다. 본 연구는 OLAFOAM을 이용하여 먼저 1) 단파와 규칙파하 투과성구조물에서 파의 변형, 2) 규칙파하 잠제에 의한 파의 변형 및 3) 흐름하 규칙파의 변형과 연직유속분포에 대해 기존의 각 실험결과와 비교 검토하여 OLAFOAM의 타당성을 검증하였다. 이로부터 지금까지 거의 검토되지 않은 규칙파와 흐름의 공존장에 설치된 투과성잠제에 대해 배후경사면을 불투과성 혹은 투과성으로 고려한 경우 흐름방향 등의 변화에 따른 잠제 주변에서 수위, 파고, 주파수스펙트럼, 쇄파, 평균유속 및 난류운동에너지 등의 변동특성을 면밀히 검토하였다. 결과로부터 흐름방향(순방향과 역방향)에 따른 파고변화는 난류운동에너지와 밀접한 관계를 가지는 것 등을 알 수 있었다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제16권2호
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• pp.1533-1540
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• 2015

수공구조물 설계 또는 하상의 유동 특징을 나타내기 위해선 마찰속도 산정이 필수적이다. 하지만 기존의 개수로 내의 마찰속도 공식인 Log 방법이나 Power방법은 벽면 근처에서 경계층 조건 혹은 다양한 수리적 특성이 지속적으로 변화하기 때문에 마찰속도의 산정에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 매개변수를 최소화하고 오차를 줄일 수 있는 새로운 마찰속도 공식을 제안하였다. 제안한 공식에 대한 신뢰성과 정확성을 검증하기 위하여 엔트로피매개변수M을 각각의 수로마다 산정을 하여 Dr.Song이 산정한 3가지 방법(Clauser 방법, $\sqrt{gRI}$ 방법, 레이놀즈 응력법)으로 산정한 마찰속도와 비교하였다. 그 결과 가속부등류 조건의 경우 $R^2=0.9621$ 감속부등류 조건의 경우 $R^2=0.9274$ 등류흐름 조건의 경우 $R^2=0.8865$로 매우 높은 정확성으로 등류조건뿐만 아니라 부등류 조건에서도 거의 일치하였다.

• 한국수산과학회지
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• 제28권2호
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• pp.194-201
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• 1995

본 실험에서는 자루그물의 구조와 형상 및 사용 그 물감의 규격의 변화에 따른 저항의 변화를 조사하고, 그 저항이 전보에서 구한 저항식에 의해 정도 높게 해석되는가를 확인하기 위하여, 유연도가 큰 Nylon 그물감으로 자루그물을 사각추형으로 설계하고 상기 각 요소들을 변화시켜 회류수조(관측부 길이 : 7.00m, 수로 폭 : 1.45m, 수심 : 1.20m)에서 유속 v에서 받는 저항 R을 측정한 후, $R=kSv^2$(S: 그물 벽의 면적)에 의해 저항계수 $k(kg\;\cdot\;sec^2/m^4)$를 구하고 k로써 각각의 경우를 비교하였다. 실험에서 얻어진 결과를 요약하면 대략 다음과 같다. 1) 정사각추형으로 설계된 자루그물의 입구를 둘레가 서로 같은 원형 틀과 정사각형 틀에 교대로 부착하면, 수중 형상은 원형 틀에서는 매끈한 원추형이 되고 정각각형 틀에서는 입구 주변만을 제외한 나머지 모든 부분이 원추형이 되었기 때문에, k값에는 별다른 차리가 생기지 않았다 또한, 직편각추형으로 설계된 자루그물을 직체각형 틀에 부착하면 입구 주변만을 제외한 나머지 모든 部分이 타원추형이 되었는데, 그 때의 k값은 정사각추형으로 설계된 그물이 수중에서 원추형을 이루는 경우와 거의 같았다. 2) 정사각추형으로 설계된 자루그물에 대해 발의 길이 1에 대한 지름 d의 비 d/1를 변화시키면 k는 d/1가 큰 그물일수록 커지는 경향이었고, 입구 면적 $S_m$ 및 그물감의 재료는 일정하게 하고 $S/S_m$ 또는 흐름에 대한 그물의 영각 $\theta$를 변화시키면 k는 $S/S_m$가 커질수록 작아지는 경향이었다. 그러나, $kS/Sm$는 $S/S_m=1-4$ 또는 $\theta=15-90^{\circ}$의 범위에서는 거의 일정하였고, $S/S_m>4$ 또는 $\theta<15^{\circ}$ 직선적으로 증가하였다. 3) 본 실험에서 얻은 결과를 전보에서 구한 그물 저항식에 의해 해석하면, 자루그물에 있어 그물코의 면적에 대한 발의 체적의 비 $\lambda$ 즉 $$\lambda={\frac{\pi d^2}{21\;sin\;2\varphi}$$를 대표치수로 하는 레이놀즈수를 $R_e$라 하고($2\varphi$: 그물코의 전개각), 흐름에 수직인 평면에 대한 그물의 총 투영면적을 $S_n$이라 할 때, $R_e<100$의 영역에서는 $$k=160R_e\;^{-01}(\frac{S_n}{S_m})^{1.2}\;(\frac{S_m}{S})^{1.6}$$으로 주어졌고 $R_e\geq100$ 영역에서는 $$k=100(\frac{S_n}{S_m})^{1.2}\;(\frac{S_m}{S})^{1.6}$$으로 주어졌다. 이러한 결과는 전보에서 구한 k와 일치하는 것이므로, 전보에서 구한 k는 자루그물에 대한 책험의 결과와 잘 일치한다는 것을 알 수 있었다.

• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제29권6호
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• pp.369-381
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• 2017

쇄파역에서 흔히 관측되는 왜도된 비선형 파랑은 정현파에 비해 상대적으로 큰 관성력을 지녀 투과율에 미치는 영향이 상당할 것으로 추정되어왔다. 본고에서는 이러한 추론을 확인하기 위해 왜도가 1.02에서 1.032에 분포하는 총 여섯 개의 파랑을 대상으로 한 수치모의를 수행하였다. 수치모의는 OpenFoam 기반 Tool box인 ihFoam을 사용하여 수행하였으며, 왜도된 비선형 파랑은 경사가 1:30인 천퇴를 이용하여 유도하였다. 투수층에서의 유동은 Navier Stokes Eq.에 추가 항력을 도입하여 해석하였으며, 모의결과 왜도된 비선형 파랑은 정현파에 비해 큰 관성력으로 인해 상대적으로 큰 투과율을 지니는 것으로 모의되었다. 또한 Porous층에서의 Damping으로 인한 파속변화 여부를 살펴 보기위해 Damping이 반영된 천수방정식으로부터 분산관계식을 새로이 유도하였으며, 그 결과 투과성 방파제에서의 파형과 마찰력 사이의 위상차가 파속에 영향을 미치는 것으로 보인다.

• 대한조선학회논문집
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• 제50권6호
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• pp.436-449
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• 2013

In this paper, a numerical analysis is carried out to study the characteristics of supercavitating flows and the drag of relatively simple two-dimensional and axisymmetric bodies which can be used for supercavity generation device, cavitator, of a high-speed underwater vehicle. In order to investigate the suitability of numerical models, cavity flows around the hemispherical head form and two-dimensional wedge are calculated with combinations of three turbulence models(standard $k-{\epsilon}$, realizable $k-{\epsilon}$, Reynolds stress) and two cavitation models(Schnerr-Sauer, Zwart-Gerber-Belamri). From the results, it is confirmed that the calculated cavity flow is more affected by the turbulence model than the cavitation model. For the calculation of steady state cavity flows, the convergence in case of the realizable $k-{\epsilon}$ model is better than the other turbulence models. The numerical result of the Schnerr-Sauer cavitation model is changed less by turbulence model and more robust than the Zwart-Gerber-Belamri model. Thus the realizable $k-{\epsilon}$ turbulence model and the Schnerr-Sauer cavitation model are applied to calculate supercavitating flows around disks, two dimensional $10^{\circ}$ and $30^{\circ}$ wedges. In case of the disk, the cavitation number dependences of the cavity size and the drag coefficient predicted are similar to either experimental data or Reichardt's semi-empirical equations, but the drag coefficient is overestimated about 3% higher than the Reichardt's equation. In case of the wedges, the cavitation number dependences of the cavity size are similar to experimental data and Newman's linear theory, and the agreement of the cavity length predicted and Newman's linear theory becomes better as decreasing cavitation number. However, the drag coefficients of wedges agree more with experimental data than those of Newman's analytic solution. The cavitation number dependences of the drag coefficients of both the disk and the wedge appear linear and simple formula for estimating the drag of supercavitating disks and wedges are suggested. Consequently, the CFD scheme of this study can be applied for numerical analysis of supercavitating flows of the cavitator and the cavitator design.

• 한국수자원학회논문집
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• 제45권6호
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• pp.545-555
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• 2012

컴퓨터 기술의 발달과 더불어 수치해석을 이용한 파랑변형에 대한 연구는 꾸준히 발전하고 있으며 점점 중요한 역할을 수행하고 있다. 하지만 수치모형을 이용한 연구에는 다양한 문제점이 발생할 우려가 있는데, 그 중 가장 빈번하게 발생하는 문제 중의 하나가 파랑의 조파지점에서 발생하는 수치수조내로의 재반사 문제이다. 재반사를 막기 위한 방법으로는 내부조파 기법을 이용하는 것이 일반적이다. Navier-Stokes 방정식 모형에서는 질량 원천항을 이용한 내부조파 기법을 주로 사용해 왔으나, 기존의 연구는 대부분 연직 2차원 수치모형을 이용한 연구에 국한되어 있었다. 그러나 3차원 수치모형을 이용한 연구가 점차 활발해지면서 3차원 Navier-Stokes 방정식 모형의 내부조파 기법에 대한 필요성이 증대되고 있다. 최근 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 방정식 모형에서 Boussinesq 방정식의 운동량 원천항을 활용하여 파랑을 내부조파하는 기법이 발표되어 3차원 공간에서 경사지게 입사하는 파랑을 성공적으로 재현하였다. 본 연구에서는 LES(large eddy simulation) 기반의 3차원 Navier-Stokes 방정식 수치모형에 운동량 원천항을 이용한 내부조파 기법을 적용하여 목표파랑을 조파하고 해석해와 비교하여 이를 검증하였다.