KR100600993B1 - Method For Fluid Flow-Characteristics Analysis Of Pipe line - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발전소 및 각종 산업설비에 사용되는 배관 내부를 흐르는 유체의 시간에 따른 동특성을 자연 현상에 가깝게 모델링하여 해석할 수 있도록 한 배관의 유체 동특성 해석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of analyzing a fluid dynamic characteristic of a piping, which is capable of modeling and analyzing a dynamic characteristic of a fluid flowing in a pipe used in a power plant and various industrial facilities over time.
본 발명은 운용자 단말기에서 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램을 실행시켜 유체 해석 대상이 되는 배관을 다수의 섹션으로 분할하여 각 섹션의 초기 경계조건을 산출한 후, 주기적으로 각 섹션에 대한 지배 방정식을 설정하여 비선형 수치 해석을 수행함으로써, 전체 배관 내부의 유체 동특성 해석 결과를 산출하여 출력해 줄 수 있게 되며, 또한 배관 내부 유체의 동특성을 자연 현상에 가깝게 모사하여 완전 비선형 방식을 산출함으로써 특히 짧은 시간의 동특성 해석시에 보다 정밀한 해석 결과를 얻을 수 있게 된다.The present invention is characterized in that an operator executes an application program for analyzing fluid dynamic characteristics in an operator terminal to divide a pipe to be subjected to fluid analysis into a plurality of sections to calculate an initial boundary condition of each section and periodically set a governing equation for each section By performing the nonlinear numerical analysis, it is possible to calculate and output the fluid dynamic characteristic analysis results in the entire piping. Moreover, by calculating the dynamic characteristics of the fluid inside the pipe close to the natural phenomenon and calculating the completely nonlinear method, A more accurate analysis result can be obtained at the time of analysis.
배관, 유체, 유동 특성, 해석, 섹션, 경계조건, 비선형 수치 해석Piping, fluid, flow characteristics, analysis, section, boundary condition, nonlinear numerical analysis
Description
도 1은 본 발명에 따른 배관 내부의 유체의 동특성 해석 동작을 설명하기 위한 순서도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a flowchart for explaining a dynamic behavior analysis operation of a fluid inside a pipe according to the present invention; FIG.
도 2는 본 발명에 따른 유체 동특성 해석 결과로서, 전체 배관에 대하여 주기적인 해석시간에 따른 배관 내부 유체의 밀도에 대한 변화 추이를 예시한 도면.FIG. 2 is a graph showing the results of fluid dynamic characteristics analysis according to the present invention, showing changes in the density of a fluid in a pipe according to a periodic analysis time for the entire pipe;
도 3은 본 발명에 따른 유체 동특성 해석 결과로서, 전체 배관의 출구에서 시간에 따른 유체의 밀도에 대한 변화 추이를 예시한 도면.FIG. 3 is a graph showing a change in the density of fluid with time at the outlet of the entire piping as a result of the fluid dynamic characteristic analysis according to the present invention. FIG.
도 4는 본 발명에 따른 유체 동특성 해석 결과로서, 전체 배관의 출구에서 시간에 따른 유체의 온도에 대한 변화 추이를 예시한 도면.FIG. 4 is a graph showing changes in fluid temperature with time at the outlet of the entire piping as a result of the fluid dynamic characteristics analysis according to the present invention. FIG.
본 발명은 배관의 유체 동특성 해석에 관한 것으로, 특히 발전소 및 각종 산업설비에 사용되는 배관 내부를 흐르는 유체의 시간에 따른 동특성을 자연 현상에 가깝게 모델링하여 해석할 수 있도록 한 배관의 유체 동특성 해석 방법에 관한 것 이다.The present invention relates to a fluid dynamic characteristic analysis of a pipeline, and more particularly, to a fluid dynamic characteristic analysis method of a pipeline that can model and analyze dynamic characteristics of a fluid flowing in a pipeline used in a power plant and various industrial facilities over time .
일반적으로, 발전소 및 각종 산업설비를 설계하는데 있어, 전체 플랜트(plant) 시스템의 설계 단계에서 튜브 및 파이프 등과 같은 배관의 사전 동특성 해석이 필수적으로 요구되며, 플랜트의 동적 설계 품질은 이러한 배관의 동특성 해석 결과의 정확도에 크게 좌우된다.Generally, in designing power plants and various industrial facilities, it is necessary to analyze the prior dynamics of pipes such as tubes and pipes at the design stage of the entire plant system, and the dynamic design quality of the plant is required to analyze the dynamic characteristics It is highly dependent on the accuracy of the results.
즉, 튜브 및 파이프 등과 같은 배관 내부의 유체가 시간에 따라 변화되는 동적 특성에 대한 엔지니어링 데이터가 없으면 전체 플랜트 시스템의 주요기기의 운전 특성을 고려한 설계가 불가능하다.In other words, without engineering data on the dynamics of the fluid in the piping, such as tubes and pipes, that change with time, it is impossible to design the plant considering the operational characteristics of the main equipment of the entire plant system.
이와 관련하여, 종래에는 배관 내부의 유체의 동적 거동 즉, 유체의 동특성을 해석하는데 있어, 유체를 비압축성으로 가정하거나 이상기체로 가정하여 문제를 단순화하여 해석하였기 때문에 엄밀히 말해 배관 내부에 흐르는 유체의 압축성을 고려한 동특성 해석이라고 보기 어렵다는 문제점이 있었다.In this regard, conventionally, in order to analyze the dynamic behavior of the fluid inside the pipe, that is, the dynamic characteristics of the fluid, the fluid is assumed to be incompressible or assumed to be an ideal gas, It is difficult to say that it is difficult to interpret the dynamic characteristics.
또한, 종래에 배관 내부의 유체의 동특성 해석을 위한 상용 프로그램의 경우에는 연립 방정식을 완전 선형화 또는 부분 선형화하여 산출하기 때문에 짧은 시간에 발생되는 배관 내부 유체의 동특성을 자연 현상에 가깝게 모델링하고 해석하는 데는 많은 제약을 가진다는 문제점이 있었다.In the case of a conventional program for analyzing the dynamic characteristics of a fluid inside a pipe, the simultaneous equations are calculated by completely linearizing or partially linearizing. Therefore, in order to model and analyze the dynamic characteristics of a fluid in a pipe in a short time, There is a problem that it has many restrictions.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 운용자 단말기에서 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램을 실행시켜 유체 해석 대상이 되는 배관을 다수의 섹션으로 분할하여 각 섹션의 초기 경계조건을 산출한 후, 주기적으로 각 섹션에 대한 지배 방정식을 설정하여 비선형 수치 해석을 수행함으로써, 전체 배관 내부의 유체 동특성 해석 결과를 산출할 수 있도록 하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems and it is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for executing an application program for analyzing fluid dynamic characteristics in an operator terminal to divide a pipeline to be subjected to fluid analysis into a plurality of sections, And then calculating the governing equations for each section periodically to perform a nonlinear numerical analysis so as to calculate the fluid dynamic characteristic analysis results in the entire piping.
본 발명의 다른 목적은, 배관 내부 유체의 동특성을 자연 현상에 가깝게 모사하여 완전 비선형 방식을 산출함으로써 짧은 시간의 동특성 해석시에 보다 정밀한 해석 결과를 얻을 수 있도록 하는데 있다.
Another object of the present invention is to obtain a more accurate analysis result in a short time dynamic characteristic analysis by calculating the completely nonlinear method by simulating the dynamic characteristics of a fluid inside a pipe close to a natural phenomenon.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 특징은, 운용자 단말기에서 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램을 실행시킨 후에 해석 대상이 되는 배관의 전체 길이와 직경 및 그 배관에 흐르는 유체의 유량, 배관 입구 및 출구에서의 압력 차이 정보를 설정하는 과정과; 상기 해석 대상이 되는 배관의 유체 동특성 해석을 위한 정보가 설정된 후에 상기 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램에서 상기 해석 대상이 되는 배관을 다수의 섹션으로 분할한 후, 분할된 각 섹션에 대하여 입구 및 출구에서의 초기 경계조건을 산출하는 과정과; 상기 각 섹션의 입구 및 출구에서의 초기 경계조건을 산출한 후에 상기 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램에서 질량 및 운동량 보존 법칙을 적용하여 주기적으로 각 섹션의 지배 방정식을 설정하고, 주기적으로 설정된 지배 방정식을 비선형 수치 해석하여 각 섹션에 대한 유체 특성을 산출하는 과정과; 상기에서 주기적으로 산출된 각 섹션에 대한 유체 특성을 조합하여 상기 배관 내부의 유체 동특성 해석 결과를 상기 운용자 단말기 화면이나 데이터 파일로 출력해 주는 과정을 포함하는 배관의 유체 동특성 해석 방법을 제공하는데 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for analyzing fluid dynamic characteristics in an operator terminal, the method comprising: after an application program for analyzing fluid dynamic characteristics is executed in an operator terminal, a total length and diameter of a pipe to be analyzed, a flow rate of a fluid flowing through the pipe, And setting the pressure difference information at the outlet; After the information for analyzing the fluid dynamic characteristics of the pipeline to be analyzed is set, the pipeline to be analyzed is divided into a plurality of sections in the application program for the fluid dynamic characteristic analysis, and then, Calculating an initial boundary condition of the initial boundary condition; After calculating the initial boundary condition at the entrance and exit of each section, the governance equation of each section is set periodically by applying the conservation law of mass and momentum in the application program for the fluid dynamic characteristics analysis, and a periodically set governing equation Calculating a fluid characteristic for each section by nonlinear numerical analysis; And outputting a fluid dynamic characteristic analysis result of the inside of the pipe to the operator terminal screen or a data file by combining fluid characteristics for each section periodically calculated in the above.
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그리고, 상기 각 섹션의 입구 및 출구에서의 초기 경계조건을 산출하는 과정은, 상기 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램에서 해석 대상이 되는 배관의 전체 길이를 일정 구간의 섹션으로 분할하는 단계와; 상기 분할된 각 섹션에 대하여 입구 및 출구에서의 초기 경계조건이 되는 유량과 압력 및 엔탈피를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of calculating an initial boundary condition at the entrance and the exit of each section may include dividing the entire length of the pipe to be analyzed in the application program for the fluid dynamic characteristic analysis into sections of a predetermined section; And calculating a flow rate, pressure and enthalpy, which are initial boundary conditions at the inlet and the outlet, for each of the divided sections.
나아가, 상기 각 섹션의 지배 방정식은, 해석 대상이 되는 배관을 N 개의 섹션으로 분할한 경우 각 섹션에 대하여 질량 및 운용량 보존 법칙이 적용된 2개의 연립 방정식과, 고정형 또는 압력 고정형으로 구분되는 배관의 경계 조건으로 사용되는 2개의 방정식을 합하여 전체 2*(N+1) 개의 비선형 비정상 연립 방정식으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.Furthermore, the governing equations of each section are the two simultaneous equations to which the mass and longevity conservation laws are applied for each section when the pipeline to be analyzed is divided into N sections, (N + 1) nonlinear anomalous simultaneous equations by summing two equations used as boundary conditions.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서는 완전 선형화 또는 부분 선형화를 기반으로 배관 내부의 유체 동특성 해석을 수행하는 상용 프로그램과는 달리 비선형 수치 해석을 기반으로 하는 유체 동특성 해석 즉, 발전소 및 각종 산업설비를 구성하는 튜브 및 파이프 등과 같은 전체 배관을 다수의 섹션으로 분할하고, 분할된 각 섹션의 입구 및 출구의 초기 경계조건이 되는 유량과 압력 및 엔탈피(enthalpy)를 산출한 후, 각 섹션의 지배 방정식을 설정하여 비선형 비정상 연립 방정식을 계산하는 비선형 수치 해석을 기반으로 하는 유체 동특성 해석을 수행함으로써 보다 효율적인 배관 내부의 유체 동특성 해석 결과를 얻게 되는데, 이러한 유체의 동특성 해석 방법은 종래의 상용 프로그램(즉, 종래의 유체 동특성 해석용 프로그램)과 마찬가지로 운용자 단말기(예컨대, 컴퓨터 등)에서 실행되는 하나의 응용 프로그램으로 구현되며, 그 유체 동특성 해석 동작은 첨부한 도면 도 1과 같은 절차로 이루어진다.In the present invention, unlike a commercial program that performs fluid dynamic characteristics analysis in piping based on full linearization or partial linearization, fluid dynamic characteristics analysis based on nonlinear numerical analysis, that is, tubes and pipes constituting power plants and various industrial equipments The total piping is divided into a plurality of sections, and the flow, pressure, and enthalpy, which are the initial boundary conditions of the inlet and outlet of each divided section, are calculated, and then the governing equations of each section are set to calculate the nonlinear abnormal series equation The fluid dynamic characteristic analysis result of the inside of the pipe is obtained more efficiently by performing the fluid dynamic characteristic analysis based on the nonlinear numerical analysis to be calculated. The method of analyzing the dynamic characteristic of the fluid is a conventional commercial program (that is, a conventional fluid dynamic characteristic analysis program) (For example, a computer or the like) Is implemented as a single application that is running, the fluid dynamic characteristic analysis operation is performed by a procedure such as the one also the accompanying drawings.
즉, 본 발명에 따른 배관 내부의 유체의 동특성 해석 동작은 운용자 단말기에서 실행되는 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램에 의해 수행되는데, 이는 배관 내부의 유체 유동 해석을 준비하는 단계와, 전체 배관을 다수의 섹션으로 분할하는 단계, 각 섹션의 초기 경계조건을 산출하는 단계, 각 섹션의 지배 방정식을 설정하는 단계, 그 지배 방정식을 기반으로 전체 연립 방정식을 비선형 방법으로 수치 해석하는 단계, 그리고 해석시간을 검사하는 단계 및 유체 동특성 해석 결과를 출력하는 단계로 이루어지며, 이러한 일련의 유체 동특성 해석 동작을 도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.That is, the operation of analyzing the dynamic characteristics of the fluid in the piping according to the present invention is performed by an application program for analyzing the fluid dynamic characteristics performed in the operator terminal, which includes preparing the fluid flow analysis inside the piping, Dividing the section into sections, calculating the initial boundary conditions of each section, setting the governing equations of each section, numerically analyzing the total simultaneous equations based on the governing equations in a nonlinear manner, And outputting a fluid dynamic characteristic analysis result. A series of fluid dynamic characteristic analysis operations will be described in detail with reference to FIG.
먼저, 배관 내부의 유체 유동 해석을 준비하는 단계는 배관 내부에 흐르는 유체의 동특성을 모사하고 해석하기 위한 준비 단계로서, 이를 위해 운용자는 운용자 단말기를 조작하여 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램을 실행시키게 되며, 해당 유체 동특성 해석 프로그램이 실행된 후에 소정의 정보 입력 조작을 통해 유체 동특성 해석 대상이 되는 튜브나 파이프 등과 같은 배관의 전체 길이와 직경 및 그 배관에 흐르는 유체의 유량, 배관 입구 및 출구에서의 압력 차이 등과 같은 정보를 설정하게 된다(스텝 S11).First, the step of preparing the fluid flow analysis inside the piping is a preparation step for simulating and analyzing the dynamic characteristics of the fluid flowing in the piping. To this end, the operator operates the operator terminal to execute an application program for fluid dynamic analysis , The total length and diameter of the pipe such as a tube or pipe to be subjected to fluid dynamic characteristic analysis through a predetermined information input operation after the corresponding fluid dynamic characteristic analysis program is executed, the flow rate of the fluid flowing through the pipe, the pressure at the pipe inlet and outlet And the like (step S11).
이렇게 하여 배관 내부의 유동 해석을 위한 각종 정보 즉, 배관의 전체 길이와 직경 및 그 배관에 흐르는 유체의 유량, 배관 입구 및 출구에서의 압력 차이 등과 같은 정보가 설정된 후에는 전체 배관을 다수의 섹션으로 분할하는 단계를 수행하게 되는데, 이는 전체 배관의 유체에 대한 분할된 동적 특성을 모사하기 위한 것으로, 배관의 분할은 해석 대상이 되는 배관의 전체 길이를 일정한 구간으로 나누는 것을 의미하며, 이렇게 나누어진 배관의 각 부분을 섹션이라고 한다(스텝 S12).After the information such as the total length and diameter of the pipe, the flow rate of the fluid flowing through the pipe, and the pressure difference at the pipe inlet and outlet are set, the entire pipe is divided into a plurality of sections The division of the piping means dividing the entire length of the pipeline to be analyzed into a predetermined section, and the divided piping is divided into a plurality of sections, Is referred to as a section (step S12).
이때, 배관 분할시 섹션의 개수는 최소 2개 이상이 되어야 하며, 그 섹션의 개수는 전체 배관에 대한 유체의 동적 특성을 얼마나 세밀하게 해석할 것인지에 따라 정해질 수 있다. 예로써, 전체 길이가 100 미터인 배관을 10개의 섹션으로 분할하는 경우 각 섹션의 길이는 10 미터가 되고, 20개의 섹션으로 분할하는 경우 각 섹션의 길이는 5 미터가 되며, 전체 배관에 대하여 섹션을 세밀하게 분할할수록 보다 정확한 유체의 동특성 결과를 얻을 수 있게 된다.At this time, the number of sections in the piping division must be at least two, and the number of sections can be determined according to how finely the fluid dynamic characteristics of the whole piping are to be analyzed. By way of example, if a piping with a total length of 100 meters is divided into 10 sections, the length of each section will be 10 meters, the length of each section will be 5 meters when divided into 20 sections, The more accurate the fluid dynamic characteristic results can be obtained.
그리고, 운용자 단말기의 유체 동특성 해석 프로그램에서는 전체 배관을 다수의 섹션으로 분할한 후에는 분할된 각 섹션의 동적 특성을 해석하기 위해 필요한 초기 경계조건을 산출(계산)하는 단계를 수행하게 되는데, 이는 해석 대상이 되는 배관에 유체가 일정한 유량으로 흐르고 있을 때 전체 배관의 유체에 대한 동적 특성은 분할된 섹션의 동적 특성을 해석함으로써 그 결과를 얻을 수 있고, 각 섹션의 동적 특성을 해석하기 위해서는 전체 배관의 유체 흐름에 따른 각 섹션의 입구 및 출구에서의 초기 경계조건이 설정되어야 하기 때문에 수행하는 단계로서, 여기서, 각 섹션의 초기 경계조건이라 함은 각 섹션에 흐르는 유체의 입구 및 출구에서의 유량, 압력 그리고 엔탈피를 의미한다(스텝 S13).In the fluid dynamic analysis program of the operator terminal, after dividing the entire piping into a plurality of sections, a step of calculating (calculating) an initial boundary condition necessary for analyzing the dynamic characteristics of each divided section is performed, When the fluid flows at a constant flow rate to the target piping, the dynamic characteristics of the whole piping fluid can be obtained by analyzing the dynamic characteristics of the divided sections. In order to analyze the dynamic characteristics of each section, Because the initial boundary condition at the inlet and outlet of each section must be set according to the fluid flow, wherein the initial boundary conditions of each section are the flow rate at the inlet and outlet of the fluid flowing in each section, And enthalpy (step S13).
또한, 각 섹션의 초기 경계조건을 산출하는 단계에 있어, 각 섹션은 유체의 흐름과 연관된 입구와 출구 사이에 압력 차이가 존재하고, 전체 배관에 대하여 배관 입구에 유입되는 유체의 경계조건을 알면, 그 배관 내부의 유체의 흐름에 따른 각 분할 섹션의 경계조건을 산출할 수 있게 된다. 이때, 전체 배관의 입구 및 출구에서의 유량은 동일하지만 그 입구 및 출구에서의 유체 압력이 다르기 때문에 각 분할된 섹션의 입구 및 출구에서도 압력 차이가 존재하고, 따라서 전체 배관의 입구와 출구 사이의 압력 차이는 각 섹션의 입구와 출구 사이의 압력 차이의 합으로 산출할 수 있게 된다.Further, in the step of calculating the initial boundary condition of each section, when each section has a pressure difference between the inlet and the outlet associated with the flow of the fluid and knows the boundary condition of the fluid flowing into the pipe inlet with respect to the entire pipe, The boundary condition of each divided section according to the flow of the fluid inside the pipe can be calculated. At this time, since the flow rates at the inlet and the outlet of the entire piping are the same but the fluid pressure at the inlet and the outlet are different, there is a pressure difference at the inlet and the outlet of each divided section, The difference can be calculated as the sum of the pressure differences between the inlet and outlet of each section.
다음으로, 각 섹션의 초기 경계조건을 산출한 후에는 각 섹션의 지배 방정식을 설정하는 단계를 수행하게 되는데, 이는 분할된 배관의 각 섹션의 계산 방법을 설정하는 단계로서, 본 발명에서는 배관에서의 열 전달을 고려하지 않기 때문에 에너지 보존 방정식은 적용하지 않고, 질량 보존 법칙 및 운동량 보존 법칙만을 적용하여 각 섹션의 지배 방정식을 설정하게 된다(스텝 S14).Next, after calculating the initial boundary condition of each section, a step of setting a governing equation of each section is performed. This is a step of setting a calculation method of each section of the divided piping. In the present invention, Since the heat transfer is not considered, the energy conservation equation is not applied, and the governing equations of each section are set by applying only the mass conservation law and the momentum conservation law (step S14).
즉, 각 섹션에는 질량 보존 법칙 및 운동량 보존 법칙이 적용된 2 개의 방정식이 사용되고, 따라서 해석 대상이 되는 배관을 N 개의 섹션으로 분할한 경우 2*N 개의 비선형 비정상 연립 방정식이 설정된다.That is, in each section, two equations with the law of conservation of mass and the momentum conservation law are used. Therefore, when the pipe to be analyzed is divided into N sections, 2 * N nonlinear anomalous simultaneous equations are set.
이때, 각 섹션마다 입구 및 출구에서의 질량 유량과 압력을 변수로 설정하게 되면 2*(N+1) 개의 변수가 생기게 되므로, 앞에서 설정된 연립 방정식의 개수가 2개 부족하게 되지만, 배관의 경우 그 배관을 통과하는 유량과 입구 또는 출구 중 하나의 압력이 주어지고 나머지 하나의 압력을 구하는 유량 고정형과, 배관의 입구 및 출구에서의 압력이 주어지고 그 배관을 통과하는 유량을 구하는 압력 고정형으로 구분되므로, 결국 부족한 2개의 연립 방정식은 유량 고정형 또는 압력 고정형의 경계 조건으로 사용되는 2개의 방정식을 이용하게 된다.In this case, if the mass flow rate and the pressure at the inlet and the outlet are set as variables for each section, 2 * (N + 1) variables are generated, so that the number of the simultaneous equations set in the above is two. A fixed flow type in which the flow rate through the pipe and one of the inlet and the outlet are given and the other one pressure is obtained and the pressure fixed type in which the pressure at the inlet and outlet of the pipe is given and the flow rate through the pipe is obtained Finally, two simultaneous equations that are insufficient use two equations which are used as boundary conditions of fixed flow type or fixed pressure type.
이렇게 하여, 변수 개수에 대응하는 2*(N+1) 개의 비정상 연립 방정식이 되는 각 섹션의 지배 방정식이 설정되고 나면, 해당 유체 동특성 해석 프로그램에서는 앞에서 설정된 지배 방정식을 기반으로 비선형 수치 해석하는 단계를 수행하게 되는데, 이는 앞에서 설정된 각 섹션에 대한 2*(N+1) 개의 비정상 연립 방정식을 비선형 방법으로 산출하는 단계로서, 이러한 비선형 수치 해석을 통해 배관 내부의 각 섹션에 대한 유체의 특성을 산출할 수 있게 된다(스텝 S15).After the governing equations for each section are set to 2 * (N + 1) unsteady simultaneous equations corresponding to the number of variables, the corresponding fluid dynamic analysis program performs a nonlinear numerical analysis based on the governing equations This is a step of calculating 2 * (N + 1) unsteady simultaneous equations for each section set in the above by a nonlinear method, and the characteristics of the fluid for each section in the pipe are calculated through the nonlinear numerical analysis (Step S15).
그리고, 각 섹션에 대한 비선형 수치 해석을 수행하는 후에는 해석시간을 검 사하는 단계를 수행하게 되는데(스텝 S16), 이는 각 섹션에 대한 유체 특성을 기설정된 해석시간 동안에 주기적으로 산출하여 전체 배관 내부의 유체 동특성 해석 결과를 얻기 위한 단계로서, 현재 해석시간이 기설정된 해석시간에 도달할 때까지 앞에서 설명한 각 섹션에 대한 지배 방정식을 설정하여 비선형 수치 해석을 수행하는 일련의 단계를 주기적으로 반복 수행하게 된다.After performing the nonlinear numerical analysis for each section, a step of examining the analysis time is performed (step S16). This is because the fluid characteristics for each section are periodically calculated during the predetermined analysis time, A series of steps of performing a nonlinear numerical analysis by setting a governing equation for each section described above until the current analysis time reaches a predetermined analysis time is periodically repeated do.
즉, 임의의 배관에 대한 내부 유체의 동특성을 해석하기 위해서는 우선 해석 대상이 되는 배관을 소정 개수의 섹션으로 분할한 후, 분할된 각 섹션에 대한 입구 및 출구의 초기 경계조건(유량, 압력, 엔탈피)을 산출하여야 하며, 이렇게 하여 각 섹션에 대한 초기 경계조건을 산출한 후에는 해석시간 카운트를 시작하여 각 섹션에 대하여 주기적인 유체 특성을 산출하게 되고, 이후에 기설정된 해석시간에 도달하게 되면, 해당 유체 동특성 해석 프로그램에서는 기설정된 해석시간까지 주기적으로 산출한 각 섹션에 대한 유체 특성을 조합하여 전체 배관의 유체 동특성 해석 결과를 출력해 주는 단계를 수행하게 된다(스텝 S17).That is, to analyze the dynamic characteristics of the internal fluid with respect to an arbitrary pipe, first, the pipe to be analyzed is divided into a predetermined number of sections, and then the initial boundary conditions of the inlet and the outlet for each divided section (flow rate, pressure, ). After calculating the initial boundary conditions for each section, the analysis time count is started to calculate the periodic fluid characteristics for each section, and when the predetermined analysis time is reached, In the fluid dynamic characteristic analysis program, a fluid dynamic characteristic analysis result of the entire piping is output by combining the fluid characteristics for each section periodically calculated up to a predetermined analysis time (step S17).
이때, 각 섹션에 대한 주기적인 유체 특성을 산출하는 것은 앞에서 설명한 바와 같이, 질량 및 운동량 보존 법칙만을 적용하여 각 섹션의 지배 방정식 즉, 2*(N+1) 개의 비선형 비정상 연립 방정식을 설정한 후, 그 비정상 연립 방정식들을 비선형 방법으로 산출하여 비선형 수치 해석을 수행함으로써 각 섹션에 대한 현재 시점에서의 유체 특성을 산출할 수 있게 되며, 이렇게 하여 기설정된 해석시간에 도달하기까지 주기적으로 산출된 각 섹션에 대한 유체 특성을 조합하여 전체 배관 내부의 유체 동특성 해석 결과를 얻어서 출력해 주게 된다.To calculate the periodic fluid properties for each section, the governing equations of each section, that is, 2 * (N + 1) nonlinear abnormal sequence equations are set by applying only the mass and momentum conservation laws as described above , The nonlinear numerical analysis is performed by calculating the unsteady simultaneous equations by a nonlinear method to calculate the fluid characteristic at the current time point for each section, and thus, each section periodically calculated until reaching the predetermined analysis time And the fluid characteristics of the entire piping are obtained and outputted.
또한, 배관의 유체 동특성 해석 결과는 첨부한 도면 도 2 내지 도 4에 예시한 바와 같이 나타나고 이를 운용자 단말기(예컨대, 컴퓨터 등) 화면이나 데이터 파일로 출력해 주게 되는데, 여기서, 도 2 내지 도 4는 전체 길이가 50 미터인 배관을 10 미터씩 5개의 섹션으로 분할하여 10초의 해석시간 동안(실제적인 동특성 해석은 2초 후에 시작하는 경우임)에 수행한 유체 동특성 해석 결과를 예시한 도면으로, 도 2는 전체 배관에 대하여 주기적인 해석시간(0.04초 주기)에 따른 배관 내부 유체의 밀도에 대한 변화 추이를 일부 예시하고 있고, 도 3은 전체 배관의 출구에서 시간에 따른 유체의 밀도에 대한 변화 추이를 예시하고 있으며, 도 4는 전체 배관의 출구에서 시간에 따른 유체의 온도에 대한 변화 추이를 예시하고 있다.2 to 4, the result of the analysis of the fluid dynamic characteristics of the pipeline is shown as illustrated in FIGS. 2 to 4 and is output to a screen or data file of an operator terminal (e.g., a computer) And the pipeline having a total length of 50 meters is divided into five sections by 10 meters to illustrate the results of the fluid dynamic characteristics analysis performed for 10 seconds of analysis time (actual dynamic characteristic analysis starts 2 seconds later) 2 shows some change trends with respect to the density of the fluid in the pipe according to the periodic analysis time (0.04 sec cycle) with respect to the whole pipe, and Fig. 3 shows the change with respect to the density of the fluid with time at the outlet of the whole pipe And FIG. 4 illustrates the change in the temperature of the fluid with time at the outlet of the entire piping.
나아가, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.Further, the embodiment according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various alternatives, modifications, and changes may be made within the scope of the present invention to those skilled in the art.
이상과 같이, 본 발명은 운용자 단말기에서 유체 동특성 해석을 위한 응용 프로그램을 실행시켜 유체 해석 대상이 되는 배관을 다수의 섹션으로 분할하여 각 섹션의 초기 경계조건을 산출한 후, 주기적으로 각 섹션에 대한 지배 방정식을 설정하여 비선형 수치 해석을 수행함으로써, 전체 배관 내부의 유체 동특성 해석 결과를 산출하여 출력해 줄 수 있게 되며, 또한 배관 내부 유체의 동특성을 자연 현상에 가깝게 모사하여 완전 비선형 방식을 산출함으로써 특히 짧은 시간의 동특성 해석시에 보다 정밀한 해석 결과를 얻을 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, an application program for fluid dynamic characteristics analysis is executed in an operator terminal to divide a pipe to be subjected to fluid analysis into a plurality of sections to calculate initial boundary conditions of each section, By performing the nonlinear numerical analysis by setting the governing equations, it is possible to calculate and output the results of the fluid dynamic characteristics analysis in the entire piping. Moreover, by calculating the completely nonlinear method by simulating the dynamic characteristics of the fluid in the piping close to the natural phenomenon, A more accurate analysis result can be obtained in the analysis of the dynamic characteristics in a short time.
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