[Amesim] Amesim 을 이용한 two-phase flow 모델링, 기능 소개

<서  론 > 

 1.

 산업 프로세스에서는 two-phase flow 가 포함된 application 을 흔히 발견할 수 있습니다. 예를 들면자동차 air-conditioning 시스템, 건물 환경 시스템(산업용, 사무실용 등), 연료 전지 냉각, cryogenic applications, Rankine cycle, heat pump 등이 있습니다. 이러한 application 에서는 특정 제약 조건을 준수하기 위해 순수한 유체의 상변화 능력을 활용하여 이득을 얻는 것이 목표입니다. 예를 들면 승용차의 경우 승객의 편안함이 제약 조건이며, cabin 의 공기 온도와 습도를 정확하게 제어해야 합니다. 이는 air-conditioning 시스템, 특히 차량 내부 공기에서 열과 습도를 제거하기 위해 냉매의 상변화를 이용하는 evaporator를 통해 수행됩니다.

2.

 단상 유동의 경우, 에너지 전달과 대류 열전달이 중요합니다. 하지만 이상 유동의 경우 추가적으로 상변화를 고려해야 합니다. 이로 인해 application 에 또 다른 dimension 이 부여되며, 이 경우 에너지 전달, convective boiling 과 convective condensation 이 이상유동 열역학에 사용하는 용어 입니다.

3.

 위에서 나열한 application 에서는 주로 열교환기에서 상변화가 주로 발생합니다. 상변화는 유체와 경계면 사이의 온도 차이가 작더라도 heat flux 를 증폭시키는 능력이 있습니다. 상변화는 유체와 경계면 사이의 열전달의 결과입니다. 경계면의 온도가 유체 온도보다 높을 때, convective boliling 이라고 합니다. 유체의 온도가 경계면 온도보다 높을 때, condensation 현상이 있다고 칭합니다. Convective boiling 과 condensation 은 열교환기의 설계에 큰 영향을 줍니다.

4. 

 이러한 시스템을 모델링하기 위해 Simcenter Amesim 의 Two-phase flow 라이브러리가 개발되었습니다. 이 라이브러리는 기본적인 요소로 구성되어 있으며, lumped transient 열전달 접근 방식에 기반하여 다음을 모델링할 수 있도록 지원합니다.

- 에너지 전달

- 내부 대류 열교환(convective boiling 또는 condensation)

- 외부 유동 대류 열교환

- 압력 손실, 온도, 질량 유량 및 enthalpy 유량 분포

- 시스템 내 gas mass fraction 변화

- 증기와 액체 상 사이의 질량 전달(상변화)

 압력 손실 및 내/외부 열전달을 특성화하기 위해 문헌에서 참고한 경험적 상관관계를 이용합니다. 이러한 상관관계는 매뉴얼에 설명되어 있습니다.

5.

 이 라이브러리를 사용하면 냉매와 냉매가 흐르는 덕트 경계면 사이의 열전달을 모델링할 수 있습니다. 이는 thermal port들을 통해 이루어지며, 결과적으로 냉매와 고체 경계면 사이의 열 상호작용을 모델링하기 위해 two-phase flow 라이브러리는 thermal 라이브러리와 완벽하게 호환됩니다. 또한 이 라이브러리에는 경계면과 moist air 사이의 외부 열전달을 설명하는 구성 요소도 포함되어 있습니다. 이러한 구성요소는 매뉴얼 전반에 걸쳐 설명됩니다.

 Air-conditioning application 에는 열팽창 밸브, receiver-dryer 등과 같은 특수한 구성요소가 필요합니다. 이러한 구성요소는 simcenter amesim air-conditioning 에서 찾을 수 있습니다. TPF 라이브러리는 AC 라이브러리와 완벽하게 호환되며, air-conditioning 냉매 loop의 특정 요소들 간의 연결을 모델링 할 수 있도록 합니다.

6.

 사용자 가이드는 크게 두가지 주요부분으로 나뉘어 있습니다.

- 내부유동의 모델링(냉매)

- 외부유동의 모델링(moist air)

 라이브러리의 각 구성요소는 간단한 튜토리얼 예제를 통해 사용 방법이 설명됩니다. 이를 통해 사용되는 표기법, 매개변수 및 변수에 빠르게 익숙해질 수 있습니다. 각 예제가 제시된 후에는 필요한 경우 기본 이론과 중요한 설명에 대한 간단한 개요가 제공됩니다. 

<Two-phase flow 라이브러리 시작하기 >

1.

 이 가이드에서는 Simcenter Amesim 의 사용에 익숙한 독자로 가정합니다. 그렇지 않은 경우에는 이 가이드에 제시된 예제를 수행하기 전에 Simcenter Amesim 매뉴얼의 튜토리얼 연습을 진행하는 것을 권장합니다.

이상유동 시스템을 모델링하기 위해 Two-Phase Flow 라이브러리가 카테고리 경로 목록에 있는지 확인이 필요합니다.

2.

 이 라이브러리는 냉매 및 moist air 와 같은 유체, 내/외부 유동을 모델링하는데 사용되는 요소들의 집합으로 구성되어 있습니다. 이러한 구성요소들은 다음과 같은 중요한 가정에 기반하여 생성됩니다.

- 표시된 변수는 총량을 나타냅니다.

- 내부 유동 구성요소는 냉매에만 관련됩니다.

- 외부 유동 구성요소는 moist air 에만 관련됩니다.

- 냉매에 관련해서, 이 라이브러리는 균질한 유체 모델에 기반합니다. 균질 모델은 이상 유체를 평균 유체 특성을 가진 단일 상태가 흐르는 것으로 간주합니다. 균질 유동 모델의 기본 가정은 다음과 같습니다.

1) 두 상태 사이 no slip 조건 (기체 상태와 액체 상태의 속도는 동일)

2) 상태 간 열역학적 평형 (두 상태는 동일한 온도를 가짐)

- 내부 유동은 1차원입니다.

- 중력은 고려되지 않습니다.

- 외부 유동은 0차원, 즉, 질량 유량과 그 분포는 강제로 적용됩니다.

- Pure fluid 는 다음과 같은 여러 상태에서 가능합니다

 superheat 증기 또는 기체(단상), subcool 액체(단상), 포화증기 또는 기체, 포화액체, 2상

 그림2.4에서 볼 수 있듯이, hydraulic port 들에서 특별한 variable 이 전달됩니다.

“communication variable “ 이라고 불리며 TPF 라이브러리의 각 내부 유동 구성 요소 간에 변환됩니다. 

<구성요소에 대한 설명 >

 TPF 라이브러리에서는 내부 유동(냉매 side)을 모델링하는 구성요소와 외부 유동(moist air side)을모델링하는 구성요소를 구별합니다. 기본적으로 TPF 라이브러리는 다음과 같이 구성되어 있습니다.

1. 냉매 및 moist air 의 열역학적 및 thermos-physical 적 특성

2. 경계 조건 적용을 위한 냉매 및 moist air 공급원

3. 내부 유동을 모델링하는 기본 구성요소

4. Moist air 와 고체 경계면 사이의 외부 열교환을 모델링하는 기본 구성요소

5. Look-up 표 효율 압축기 및 팽창기

 TPF_FP01 을 이용하는데 있어, 이 라이브러리는 이미 존재하는 냉매 특성들을 제공합니다.

유체 특성의 자세한 정도는 시뮬레이션 결과에 강력한 영향을 미칩니다. 따라서 유체 특성의 구현에 특별한 주의가 기울여졌으며, 사용자들은 자체적으로 냉매 유체 특성을 생성할 수 없습니다. 그러나 유체 특성 데이터베이스는 빠르게 정기적으로 업데이트되어 라이브러리가 가능한 많은 응용 분야를 다룰 수 있도록 합니다. (고객의 요청에 따라 추가적인 냉매는 매우 빠르게 구현될 수 있음) 기존의 냉매 특성 이외에도, 라이브러리는 TPF_FP02 서브모델을 사용하여 순수한 냉매들로 이루어진 혼합물을 정의할 수 있습니다.

<Apps >

 이 App의 목적은 TPF 유체 데이터베이스 속성을 빠르고 독립적으로 접근 할 수 있게 하는 것입니다. 그림 4.2 에 보여지는 것처럼 TPF_FP01 submodel 에서 사용할 수 있습니다

TPF 속성 app은 App Space 매뉴를 통해 독립 실행 형태로도 실행 시킬 수 있습니다. 

Thermodynamic Cycle Analysis Tool은 two-phase fluid 기반의 thermodynamic cycle 예측을 위한 App 입니다.

1. Fluid 선택: 이 단계에서 two-phase fluid 와 state equation 이 설정됩니다.

2. Cycle 정의: Cycle를 정의하고, 각 지점을 설정할 수 있습니다. 지점은 자유롭게 추가, 제거, 이동 및 시각화 가능합니다. 각 지점의 입/출구의 열역학적 지점을 설정 가능합니다. Local mass flow rate 나 power 및 COP를 사용하면, ‘Cycle Data’ tap 에서 cycle의 중요 특성을 요약하여 적절한 COP를 결정할 수 있습니다.

<Condenser > 

 내부(internal) 및 외부(external) 흐름 구성요소 뿐만 아니라 thermal-solid capacities를 결합합니다.

목적: TPF, TH 라이브러리에 있는 기본 요소 아이콘을 사용하여 간단한 parallel flow condenser 를 구축하고자 합니다..

 다음 현상들을 모델링

- 내부에 R134a 냉매 흐름(압력손실, 내부 열전달)

- Thermal solid wall capacities(aluminum), 벽에서 축방향 전도가 없음.

- Fin 효율

- 외부 흐름(moist air 와의 외부 대류 열전달)

- 출구측 moist air 의 평균 상태값들 계산

1. Sketch of the system

 컨덴서 통과 흐름에 따라 냉매의 상태, 온도, 압력 등의 변화에 대해 예측하고 싶다면 컨덴서 길이를 여러 셀로 나누는 것이 중요합니다. 

 Pass 에 따라 냉매 압력이 변화하는 것을 확인 할 수 있습니다.

2. Results for Solid wall

 Pass에 따라 벽의 온도 변화만 확인 가능합니다.

 이 예제에서는 Aluminum을 사용하였지만, 사용자 지정 물질로 사용하여 온도 변화 예측 가능합니다. 처음 두개의 cell의 열교환 계수가 낮기 때문에 유체와 벽 사이의 열교환이 낮습니다. 그러나 첫번째 셀에서 온도 차이가 더 크기 때문에, 해당 셀에서의 열교환은 두번째 셀보다 더 중요합니다. 벽의 온도는 모든 셀에서 습공기 조건이 동일하기 때문에, 내부 열교환의 직접적인 결과 값입니다.

3. Results for the moist air side side

 Pass 에 따라 습공기의 relative humidity 의 변화와 외부 대류 열흐름을 고려해야 합니다. 유입되는 습공기의 상대습도는 40% 임을 기억하고 아래 그림과 같이 결과를 표시합니다.

 External convective heat flow rate는 fin 을 통해 흐르는 습공기를 가열하는 경향이 있습니다. 벽 온도가 습한 공기 온도보다 높기 때문에 응축이 없고, 절대 습도는 동일하게 유지됨. 결과적으로 상대 습도는 감소합니다. 열교환이 클수록 더 많이 감소합니다.