고체입자 크기분포와 부피분율을 고려한 충전층의 이산요소 모델링과 유체유동 특성 연구

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.