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고체입자 크기분포와 부피분율을 고려한 충전층의 이산요소 모델링과 유체유동 특성 연구

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dc.contributor.advisor 손동우 -
dc.contributor.author 박상현 -
dc.date.accessioned 2019-12-16T02:41:45Z -
dc.date.available 2019-12-16T02:41:45Z -
dc.date.issued 2017 -
dc.identifier.uri http://repository.kmou.ac.kr/handle/2014.oak/11352 -
dc.identifier.uri http://kmou.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000002330212 -
dc.description.abstract 많은 수의 고체입자로 이루어진 충전층(packed beds)은 유체와의 화학적, 열-기계적인 상호작용을 증대하기 위한 개념으로 화학, 원자력, 핵융합 등 다양한 공학분야에서 널리 활용된다. 본 연구에서는 충전층에서의 고체입자를 크기분포와 부피분율을 다양한 관점으로 접근하여 유체유동 특성에 대해 파악하는 연구를 진행하였다. 여기에서 크기분포는 정규분포와 균일분포로 접근하며, 또한 부피분율은 높은 편에 해당하는 60~68% 범위 내에서 연구를 진행하였다. 다수의 고체입자의 거동을 표현하기 좋은 기법인 이산요소법(Discrete element method, DEM)은 최근에 많은 상용프로그램에서 널리 사용되고 있다. 하지만, 상용프로그램으로는 본 연구에서 원하는 고체입자의 크기분포에 맞춰 적용하기에 어려움이 있으며, 높은 부피분율의 충전층을 얻는 과정에서 많은 노력이 요구된다. 이를 극복하기 위해 검사체적영역에서 고체입자를 충분히 적층하고 영역의 크기를 줄여가며 높은 부피분율의 충전층을 얻었다. 위 과정을 통하여 얻은 충전층의 유체유동 특성을 파악하기 위해서 전산유체역학(Computational Fluid dynamics, CFD)을 통하여 접근하였다. 하지만, 이 작업 과정에서 입자와 입자사이에 격자구성에서 어려움을 동반하였고, 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 과도하게 작은 양의 겹침(overlap)이 발생한 입자에 대해 크기를 확대하였으며, 이는 충전층 모델에 대해 부피분율이 거의 변하지 않도록 미세하게 조정하였다. 위와 같은 작업을 통하여 격자구성의 어려움을 극복하며 전산유체역학 해석을 진행하였으며, 상용프로그램 Star-CCM+를 이용하였다. 유체유동 특성은 충전층이 유동에 대한 저항으로 입구와 출구에 대한 압력강하를 전산유체역학을 통하여 얻었으며, 충전층의 압력강하 방정식인 Ergun’s equation과 Kozeny-Carman equation을 통한 수치 결과를 비교하였다.|Packed beds composed of large numbers of solid particles have been widely used to improve chemical and thermo-mechanical interactions between solid particles and fluid in the field of chemical and nuclear engineering. The objective of this study is to investigate the characteristic of fluid flow through a packed bed, one of important parameters for design and analysis of packed bed systems. In particular, the effects of the size distribution and volume fraction of solid particles on fluid flow are investigated in terms of pressure drop. Discrete element method (DEM) is first used to generate packing configurations of solid particles, which is an effective method for expressing the behaviors of many solid particles. Varying the sizes of solid particles in packed beds, the packing process are simulated and then the packed bed models are obtained. The volume fractions of solid particles in packed beds are controlled within the range of 60 to 68%, corresponding to very high values. A diameter of the individual solid particle in the packed beds varies according to the normal and uniform distributions. Subsequently, based on the packing configurations obtained from the DEM simulations, appropriate meshes of fluid domains are constructed for computational fluid dynamics (CFD) simulations. Through a series of CFD simulations, the tendency of pressure drop for the packed beds are investigated, which depends on the size distribution and volume fraction of the solid particles. The high pressure drop is observed with high volume fraction of solid particles and with small difference in the particle size. In addition, the results from CFD simulations are compared to the Ergun’s equation and Kozeny-Carman equation. -
dc.description.tableofcontents 목 차 List of Tables iii List of Figures iv Abstract vi 1. 서 론 1 1.1 연구배경 1 1.2 연구 목적 2 2. 이산요소법과 충전층 모델링 3 2.1 이산요소법의 이론 4 2.1.1 헤르츠 접촉 4 2.2 입자 선정 7 2.2.1 정규분포 7 2.2.2 균일분포 8 2.3 부피분율 10 2.3.1 주기경계조건와 부피분율 제어 11 2.3.2 유체 격자망 생성을 위한 겹침 수정 13 3. 전산유체역학를 통한 해석 17 3.1 격자 생성 18 3.2 전산유체역학 해석을 위한 조건 부여 20 3.3 해석결과 22 3.4 해석결과에 따른 압력강하 분석 23 3.5 모델링 유효성 평가 26 3.5.1 도메인 길이에 대한 유효성 평가 25 3.5.2 주기경계조건을 통한 무한영역 모사 적합성 평가 27 4. 충전층의 유체유동 저항에 대한 압력강하 31 4.1 Sauter Mean Diameter 32 4.2 수정된 레이놀즈 수 33 4.3 경험적인 압력강하식 34 4.3.1 Ergun’s equation 34 4.3.2 Kozeny-Carman equation 35 4.4 압력강하식을 통한 압력강하 비교 35 4.4.1 동일한 입자 크기를 가지는 충전층에서의 압력강하 비교 36 4.4.2 정규분포에서의 압력강하 비교 37 4.4.3 균일분포에서의 압력강하 비교 37 5. 결 론 39 참고문헌 41 -
dc.format.extent 43 -
dc.language kor -
dc.publisher 한국해양대학교 대학원 -
dc.rights 한국해양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다. -
dc.title 고체입자 크기분포와 부피분율을 고려한 충전층의 이산요소 모델링과 유체유동 특성 연구 -
dc.title.alternative 고체입자 크기분포와 부피분율을 고려한 충전층의 이산요소 모델링과 유체유동 특성 연구 -
dc.type Dissertation -
dc.date.awarded 2017-02 -
dc.contributor.alternativeName Sanghyun Park -
dc.contributor.department 대학원 기계공학과 -
dc.contributor.affiliation 한국해양대학교 대학원 -
dc.description.degree Master -
dc.subject.keyword 충전층, 이산요소법, 압력강하, 크기분포, 부피분율 -
dc.type.local Text -
dc.title.translated A study on fluid flow characteristic depending on the size distribution and volume fraction of particulate solid materials using discrete element modeling of packed beds -
dc.identifier.holdings 000000001979▲000000006780▲000002330212▲ -
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기계공학과 > Thesis
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