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수치해석을 이용한 평균 양방향 유동 튜브 유량계의

파울링 적용성 평가

2013.12.06

박종필

Numerical Evaluation of Averaging BDFT(bidirectional flow tube) Flow meter on Applicability in the Fouling Condition

2 System integrated Modular Advanced ReacTor

목차

1. 연구배경 및 목적

2. 평균 BDFT 유량계의 원리 및 특성

3. 수치계산

3.1 검증해석

3.2 파울링 영향도 해석

4. 결론



원자로 열출력은 주급수유량을 기반으로 한 열평형 방법에 의해 계산

정확한 원자로 열출력 계산을 위해 주급수유량의 정밀한 측정이 중요

MSW

BSW

FWFWBDBDMSMSSG hWhWhWQ -

BSh

FWW FWh

FWW

BSW

FWFWMS WWW -=

: 측정값

: 설계값

MSh

SGRx QQ



주급수 유량은 venturi meter를 통해 측정

Venturi meter는 부유물이 압력 도관 또는 목에 침전되는 파울링에 의한

측정오차가 발생할 수 있음

원전 운전기간 동안 측정된 유량이 점점 증가하여 발전량을 줄여야 하는

문제가 발생

초음파 유량계는 전자기기의 신뢰성 문제가 제기되어 근본적인 해결책이

되지 못함

평균 BDFT 유량계는 이론적으로 파울링에 무관한 유량측정이 가능하여

정확한 원자로 열출력 계산이 가능할 것으로 판단됨



Front flow Back flow

국부 BDFT 유량계(Mccaffrey et al., 1976; Lui et al.,1990)를 바탕으로

평균 유속(유량)을 측정할 수 있도록 개발

BDFT 전단 압력 : 정체압 // 정압 + 동압

BDFT 후단 압력 : 정압 // 배압 < 정압 (흡입효과)

측정압 (전/후단 압력차) > 동압

보정계수인 압력증배계수 필요 *압력증배계수는 orifice & venturi meter의 방출계수가 유사한 의미

전단압력 후단압력

2Δ

2Vρp >



평균 BDFT 유량계 검/교정 실험

수직관 : 물 ~ 2.8 m/s, 공기 ~ 3.5 m/s

수평관 : 공기 3 m/s ~ 70 m/s

수직관 실험장치

테스트 부 : 원형의 아크릴 배관

테스트 부 길이 10 m, 내경 80 mm

실험조건 : 2기압 물, 유속 ~ 2.8 m/s

(Re ~32,000)

주어진 유량조건에서 차압을 통해

압력증배계수 도출

V

ρpK

/Δ2=



평균 BDFT 유량계의 압력증배계수

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 350001.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

Am

plif

ica

tio

n F

acto

r (K

)

Reynold Number (Reb)

μ

VDρ b

b =Re

( )ba

abDb +=

2

4

%5.0±


3. 수치계산

검/교정 실험을 통해 평균 BDFT 유량계 Re 수 10,000 이상인 구간에서는

정밀한 유량측정이 가능함이 증명

실험을 통해 평균 BDFT 유량계가 파울링에 무관한 유량측정이 가능함을

증명하지 못함

파울링은 부유물이 압력 도관 또는 목에 침전되어 벽면의 상태를

변화시키는 현상으로 수치해석을 통해 파울링 모사가 가능

상용 CFD 코드인 STAR-CCM을 사용하여 1) 압력증배계수 예측성능검증

계산 및 2) 파울링 영향도 평가 계산을 수행함


3.1.1 검증해석 수치 모델

직경 80 mm의 원형 배관

입구유속의 완전발달 및 BDFT 후류의 영향을 고려하여 충분한 배관 길이

확보

평균크기 4 mm의 정렬격자 생성, BDFT 및 벽면 주위에는 조밀한 격자

생성 (총 격자 수 200만개)

mDL ppe 5.3Re4.4 6/1 <=


3.1.2 검증해석 수치 계산법

난류모델 : 표준 k-ε모델, SST 모델

Wall Treatment : 표준 k-ε모델/Two-layer, SST 모델/High y+

초기 및 경계조건

물성치 : 2기압, 25 C의 물의 물성치 사용

입구 : 유속경계 (0.06 m/s~2.5 m/s + 3 m/s, 5 m/s, 8 m/s, Re ~ 100,000)

출구 : 압력경계

벽면 : 매끄러운 벽 (Wall roughness : Smooth wall)


3.1.3 검증해석 결과

평균 BDFT 유동특성 예측성능 (입구유속 : 3 m/s)

표준 k-ε모델 SST 모델


정체압 배압



평균 BDFT 유동특성 예측성능 (입구유속 : 8 m/s)

표준 k-ε모델 SST 모델


정체압 배압



0 20000 40000 60000 80000 100000 1200001.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

EXP.

CFD (k-e model)

CFD (SST model)

Am

plif

ica

tio

n F

acto

r (K

)

BDFT Reynolds Number

1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60 1.651.30

1.35

1.40

1.45

1.50

1.55

1.60

1.65

25000<Re<100000 1300<Re<25000

Am

plif

ica

tio

n F

acto

r K

(C

FD

)Amplification Factor K (Exp.)

CFD (k-e model)

CFD (SST model)

-2%-5%

+2%

+5%

780<Re<1300

평균 BDFT 압력증배계수 예측성능

V

ρpK

/Δ2=

CFD 해석을 통해 평균 BDFT 유량계 유동특성을 예측할 수 있음


3.2.1 파울링 영향도 해석 수치 모델

난류모델 및 Wall Treatment : SST 모델/High y+

초기 및 경계조건

벽면 : BDFT 주위에 0.2 mm, 0.5 mm 표면거칠기 적용

산업용 강은 장기 사용으로 인한 부식 발생 시 일반적으로 0.15 mm ~ 0.4 mm의

표면거칠기를 가짐 (Spraying System Co, SF pressure drop online-calculator: Roughness of pipes, 2013.

http://www.spray.com/calculators/Pressure_Drop_Calc/rauh.html)


3.2.2 파울링 영향도 해석결과

파울링 영향에 따른 압력증배계수 변화

0 20000 40000 60000 80000 100000 1200001.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2.0

CFD (non-fouling)

CFD (fouling 0.2 mm)


Am

plif

ica

tio

n F

acto

r (K

)

Reynolds Number (Reb)

1.34 1.36 1.38 1.40 1.42 1.44 1.46 1.481.34

1.36

1.38

1.40

1.42

1.44

1.46

1.48

+0.1%

-0.1%

Am

plif

ica

tio

n F

acto

r K

(fo

ulin

g e

ffe

ct)

Amplification Factor K (smooth & roughed wall)



평균 BDFT는 파울링에 무관하게 유량 측정이 가능

* non-fouling (smooth wall) : 검증해석결과


3.2.2 파울링 영향도 해석결과

평균 BDFT 유량계의 최대 허용 파울링

1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.551.25

1.30

1.35

1.40

1.45

1.50

1.55

-5%

-2%

+5%

+2%

2000<Re<100000

A

mp

lific

atio

n F

acto

r K

(C

FD

)

Amplification Factor K (Exp.)

CFD (rough 0.5 mm)

CFD (rough 1 mm, 2 mm)

CFD (rough 5 mm)


4. 결론

CFD 코드의 평균 BDFT 유량계 유동특성 및 압력증배계수 예측성능을 평가

BDFT 후단의 흡입효과에 의해 배압이 형성됨을 잘 예측

Re 수가 5,000 이상인 구간에서 실험 및 해석결과의 오차는 ±2% 이내

BDFT 주위의 표면거칠기를 변경하며 파울링 영향도 평가

비파울링 조건 및 파울링 조건에서 계산된 압력증배계수의 오차는 ±0.1% 이내

평균 BDFT 유량계가 파울링에 무관하게 동일한 유량조건에서 동일한 차압을 측정함을

수치해석을 통해 증명

추가적인 실험/해석적 평가를 통해 평균 BDFT 유량계의 성능이 검증된다면

원자력 발전소의 경제성을 높일 수 있을 것으로 기대


감사합니다

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