배관 유동내 thermowell의 와(渦) 유기 진동 특성에 대한 연구

Abstract

본 논문은 선박 및 해양 플랜트의 배관 시스템에 광범위하게 사용되어 오는 유동온도 측정용 온도계 보호 및 지지대 (thermowell)의 유체유기 진동에 대한 실험적 연구 결과이다. 기체 및 액체 상태의 유동에 가로놓이는 thermowell의 구조는 여러가지 유체력을 받게 되는데 원형 단면의 주변에서 발달하는 유동 박리 (separation) 및 와 흘림 (vortex shedding)에 의한 것이 대표적인 경우이다. 이러한 vortex shedding은 주기적인 이탈을 함으로써 구조물에 진동과 피로를 유발하는데 고유진동수와 일치하는 경우 공진에 의한 진동 증폭이 일어나고 심한 경우 피로 파손이 발생하여 플랜트 시스템 전체에 심각한 문제를 야기하기도 한다. Thermowell및 cylinder 모양에서 발생하는 유체유기 진동과 관련된 연구는 Blevins를 포함한 여러 학자들이 연구를 진행하였다. ASME PTC 19.3 TW-2010은 여러 산발적 연구를 충분히 망라한 thermowell 설계 기준이고, thermowell의 파국적 결과로 이어질 수 있는 부분을 최대한 줄이도록 한 보수적 설계 기준임을 확인하였다. 본 연구는 배관내에 설치된 thermowell의 와 유기 진동을 시험을 통해 재현하고 진동에 영향을 미치는 변수들에 의한 응답 변화를 관찰하였다. 공기 유속의 변화, thermowell의 외경, 삽입 길이에 의한 응답 특성을 비교 분석하였다. 특히 주요한 유동 진동의 특성이 되는 와 이탈 주파수와 Strouhal Number, thermowell의 고유진동수 및 와 이탈 주파수와의 공진 시 thermowell 응답 등을 면밀히 분석하였다. 또한 실제적인 현장 문제 적용 및 해결방안으로 와 유기 진동의 감소 방법에 대해 추가적으로 연구하였는데 주로 유동에 접촉하는 thermowell원형 실린더 표면에 나선형 띠 (helical strake)를 부착하여 와 발생 억제 및 진동감소 영향을 관찰하였다. 실제로 띠는 원형 철사 (wire)로 대신하였는데 wire가 thermowell 삽입방향과 이루는 경사각도, 동시에 부착하는 wire개수, wire의 굵기 등에 따라 뚜렷한 진동 크기의 변화를 보였는데 전체적으로 미 부착 조건에 비해 현저히 진동이 감소함을 확인하였다. 해석적인 접근으로는 이론적 보모델 해석과 유한요소해석 (FEM) 방법으로 고유진동수 추정을 시도하였는데 실험에서의 pipe형 thermowell의 설치 조건을 고려하여 중간지지조건을 갖는 Euler 보모델에 대한 고유진동수 계산식을 유도하였다. 적정한 강성조건을 부여할 경우 이론식과 유한요소해석 결과 모두 실험치와 전 영역에서 잘 일치하는 결과를 얻었다. 또 가정된 가진력에 의한 연속체 보모델의 강제진동응답을 유도하고 실제 측정된 응답과의 비교에 의해 thermowell에 작용하는 유체력을 역으로 산정하고자 하였다. 그 결과 유체 가진력은 예측보다 상당히 낮은 값을 보여주었는데 Reynolds 수 10^4~10^5 범위의 난류유동 특성 및 폐쇄된 배관내의 불안정한 흐름의 효과로 추정한다. 끝으로 이러한 연구를 바탕으로 덕트 배관에 돌출된 파이프형 thermowell의 고유진동수 및 응답을 예측하는 개략적 계산식을 도출하여 제시하였다.