원전용 게이트 밸브의 성능검증을 위한 차압해석 모델링

Abstract

원자력발전소에서 사용하는 게이트 밸브는 ASME QME-1[1]에 의한 성능검증을 필수적으로 수행해야 한다. 본 연구에서는 밸브 성능검증의 방안으로 실험적 연구에 추가적으로 전산유체역학을 활용한 해석방법에 대하여 살펴보았다. 게이트 밸브의 경우에 패킹힘, 피스톤 힘과 차압에 의한 힘이 작용하는데, 게이트 밸브의 차압힘은 유동방향으로 발생하는 차압에 의한 힘에 실험적으로 구한 디스크와 시트 또는 디스크와 가이드 사이의 마찰계수를 곱하여 구한다. 원전에서 사용하는 게이트 밸브에 대한 표준화된 모델을 사용하였고[2] 무차원화된 물성을 이용하여 해석을 수행하였다. 유량에 의한 속도와 상부압력 및 하부압력에 의한 밀도와 점도를 고려하여 레이놀즈 수를 구하고 이를 이용하여 다아시 마찰계수, 벽면의 마찰속도, 전단응력, 난류에너지(kinetic energy), 난류강도(intensity) 및 오메가(Omega)를 구하였다. 그리고 벽면의 마찰속도와 밀도와 점도를 이용하여 yplus와 첫 번째 격자두께를 계산하여 OpenFOAM의 snappyHexMesh의 설정변수로 사용하였다. 입구 경계에서 10D 이후 속도가 완전 발달된 이후 밸브 전단까지의 1D 배관에서 압력차와 평균 속도로 마찰계수를 계산하여 경계조건에서 사용된 다아시 마찰계수와 비교한 결과, 설계자가 요구하는 7 % 이하에서 해석이 가능하였다. 그리고 밸브 후단까지의 4D 길이에서의 압력차와 평균속도를 구하여 손실계수와 등가 마찰계수를 구하였다. 다아시 마찰계수의 오차는 실험식과의 비교 값이므로 본 연구의 해석절차가 원전 성능검증을 위한 실험기반 해석 도구로서의 사용 가능하다고 사료된다. 또한 유동으로의 수평방향과 수직방향의 힘을 계산하여 밸브힘의 계산에 사용