HRSG(Heat Recovery Steam Generator)

– Porous zone, porous jump, heat source, inlet velocity profile

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개요

HRSG 내부의 압력 손실과 속도 분포
입구의 회전 속도 성분

본 예제는 HRSG 내부 유동을 계산하는 예제이다. HRSG는 가스터빈에서 나온 고온의 배기 가스의 에너지를 회수하기 위한 설비이다. 입구의 유동은 터빈을 지나면서 회전 성분을 갖게 되는데, 이것을 모사하기 위해 입구 속도의 프로파일을 경계조건에 준다. HRSG 내부에는 증기를 생산하기 위한 튜브들이 있는데 이것들은 porous zone으로 모델링하고, 열전달 heat source로 처리한다. 입구유동의 균일하게 하기 위해 다공판을 사용하는 경우가 있는데 이것은 두께가 없는 면으로 모델링하여 porous jump 경계조건를 사용한다.

프로그램의 구동 및 격자

프로그램 실행 후 [새 작업(New Case)]를 선택한다. 시작 창에서 [솔버 유형(Solver Type)]은 [압력기반(Pressure-based)]를, [다상유동 모델(Multiphase Model)]은 [None]을 선택한다.

격자는 주어진 polyMesh 폴더를 활용한다. 상단 탭에서 [파일(File)]-[격자 불러오기(Load Mesh)]-[OpenFOAM]을 순서대로 클릭하고 polyMesh 폴더를 선택한다.

격자는 baramMesh에서 만든 격자이다.

기본조건(General)

정상상태(Steady)를 선택한다. 중력(Gravity)은 (0 0 0), 작동압력(Operating Conditions)은 101325를 사용한다.

모델(Models)

난류 모델은 디폴트 조건인 standard $k-\epsilon$ 모델을 사용하고, Energy를 포함한다.

물질(Materials)

Air의 밀도를 Perfect Gas로 바꿔준다. 나머지는 디폴트 값을 사용한다.

셀 존 조건(Cell Zone Conditions)

porous1, porous2, porous3라는 3개의 cell zone이 있다. 모두 Porous zone 조건을 사용하고 에너지 소스를 설정한다.

Porous Zone은 다음과 같이 설정한다.

  • Model : Darch Forchheimer
  • Direction-1 vector : (1 0 0)
  • Direction-2 vector : (0 1 0)
  • Inertial Resistance Coefficient : (40 40 20)
  • Viscous Resistance Coefficient : (0 0 0)

에너지 소스는 -5e6를 사용한다. 에너지를 잃는 조건이기 때문에 마이너스 값을 사용한다.

경계조건(Boundary Conditions)

유동의 입구인 inlet은 [Velocity Inlet] 조건을 사용한다.

  • Velocity Specification Method : Component
  • Profile Type : Spatial Distribution
  • CSV File Name : 링크의 파일을 선택
    • csv 파일은 경계면의 임의의 좌표와 속도 벡터가 나열된 것이다. 좌표는 격자점과 일치할 필요는 없다.
  • turbulent intensity는 1, turbulent viscosity ratio는 10
  • temperature는 700

outlet은 디폴트인 Pressure Outlet 조건을 사용한다.

interface 면은 Porous Jump 조건을 사용한다.

  • Darcy Coefficient : 100
  • Inertial Coefficient : 100
  • Porous Media Thickness : 0.005
  • Coupled Boundary : interface_slave

위와 같이 설정하면 interface_slave 면은 자동으로 설정된다.

나머지는 모두 디폴트 조건인 단열 벽 조건을 사용한다.

수치해석 기법(Numerical Conditions)

에너지 소스 때문에 초기에 계산이 불안정할 수 있기 때문에, [Advanced]의 [Limit] 값에서 최소 온도를 100, 최대 온도를 1000으로 설정한다.
나머지는 디폴트 조건을 사용한다.

모니터(Monitor)

출구의 온도를 모니터링한다.

[추가{Add}]에서 Surfaces를 선택하고 [유동변수(Field Variable)]을 Temperature, [면(Surface)]에 outlet을 선택한다.

초기화(Initialization)

초기조건은 다음과 같이 설정한다.

  • Velocity : (20 0 0)
  • Pressure : 0
  • Temperature : 700
  • Scale of Velocity : 20
  • Turbulent Intensity : 1
  • Turbulent Viscosity Ratio : 10

계산

메뉴의 [병렬연산(Parallel)]-[환경설정(Environment)]를 클릭하고 원하는 코어수를 입력한다.

[계산 조건(Run Conditions)]은 다음과 같이 설정하고 [계산시작(Start Calculation)] 버튼을 누르면 계산이 시작된다.

  • 계산회수(Number of Iterations) : 1000
  • 자동 저장 간격(Save Interval) : 100

계산이 시작되면 아래와 같이 잔차(residual) 그래프가 그려진다.

후처리

메뉴에서 [외부 프로그램(External tools)]-[ParaView] 버튼을 클릭하여 paraview를 실행한다.

병렬연산이면 [Case Type]을 [Decomposed Case]로 변경한다.

[Coloring]을 [T]로 선택하면 다음과 같은 그림을 확인할 수 있다.