Introduction

다양한 산업 분야에서 가스 이송 및 배출 시스템으로 압축기를 사용하고 있다. 하지만 물리적인 설치 공간 부족, 전력 부족, 경제성 등 여러가지 문제로 압축기를 사용하지 못하는 경우도 많다. 특히 반도체 공정 중 발생하는 부산물 가스를 가스처리 장치까지 전달하는 시스템에서는 기체가 고체로 상변화하여 배관을 막는 현상을 방지하기 위해서 기체를 빠르게 이송해야만 한다. 하지만 압축기를 설치하기엔 부족한 공간과 경제적인 문제로 압축기 역할을 대신할 수 있는 소형의 유체기계가 필요한 상황이다.

질량유량 증폭기는 벤츄리(Venturi) 효과를 활용한다는 점에서는 일반 이젝터와 원리는 같다. 하지만 부유동을 주유동 중심에 분사하는 방식의 이젝터와 다르게 질량유량 증폭기는 부유동을 코안다(Coanda) 효과를 통해 벽면을 타고 흐르게 분사한다는 점에서 차이가 있다. 즉, 질량유량 증폭기는 코안다 효과와 벤츄리 효과를 복합적으로 활용한 소형 장치이다. 코안다 효과는 속도를 가진 유체가 물체 근처에 흐르게 되면 점성력에 의해 물체 표면에 달라붙어 흐르게 되는 효과이다. 벤츄리 효과는 유동이 지나는 단면적이 좁아질 때 발생하는 유속 증가를 통해 압력강하를 유발하는 효과이다.

코안다 효과와 벤츄리 효과를 활용하면 질량유량 증폭기 내부에 강한 음압력을 생성하여 압력차를 유발하고, 작동유체를 빠르게 이송할 수 있다. 일반적인 압축기와 비교했을때 증폭기가 생성하는 압력차의 절대적인 크기는 작다. 하지만 작동조건이 소량의 기체만 있으면 된다는 점과 장치가 차지하는 부피가 작다는 점 등의 장점이 있다. 따라서 장치가 필요한 위치에 공간 제한이 있지만, 기체의 빠른 이송이 필요한 영역에서는 이 질량유량 증폭기 설치는 경제성이 높다고 할 수 있다.

다수의 연구자들이 코안다 효과와 벤츄리 효과, 그리고 이를 활용한 장치에 대한 연구를 수행하였다. Imants¹⁾는 다양한 장치에 대한 코안다 효과의 활용에 대한 연구를 수행하였다. Trancossi 등²⁾은 코안다 효과에 대한 적합한 수치해석 모델에 대한 연구를 진행하였고, Fišer 등³⁾은 코안다 효과에 대한 CFD와 실험 결과를 비교하여 유동특성을 연구하였다. Mamou 등⁴⁾은 에어포일에서 발생하는 코안다 효과와 성능에 대한 연구를 진행하였고, Jeong⁵⁾은 지하철 선로 먼지제거 장치에서 공기 분사기(air knife) 형상에 코안다 형상을 활용하여 균일한 속도를 형성하는 수치적인 연구를 진행하였다. Bashir 등⁶⁾은 벤츄리 관로 형상에 따른 유동 특성에 대해 연구하였다. Xu 등⁷⁾은 이젝터 내부에 벤츄리 효과를 발생시키는 형상을 추가하여 입자의 이송 속도에 대한 수치적인 연구와 실험 결과를 비교하였다.

다양한 분야에서 코안다 및 벤츄리 효과, 각 효과를 활용한 다양한 장치의 유동에 대해서 연구가 수행되었다. 하지만 질량유량 증폭기를 배관 시스템에 적용하기 위한 유량 증폭률 및 유동 특성에 대한 연구는 미미하다. 더불어 증폭기 2기를 조합했을 때 어떤 현상이 일어나는지에 대한 연구도 미미하다. 본 연구에서는 직선으로 구성된 관에 질량유량 증폭기 2기를 직렬 배치하고, 배치조건으로 형상 변수와 유동 변수를 설정하여 변화하는 증폭률과 유동 특성을 연구하였다.

질량유량 증폭기 1(AM1)과 2(AM2), 총 2기를 Fig. 1과 같이 배치하는 모델을 설정하였다. 그리고 배관에 질량유량 증폭기를 설치하여 활용할 가능성을 확인하기 위해 입구와 토출구 방향으로 각각 200 mm 확장하여 유동특성을 고찰하였다.

Fig. 1  
Flow domain of amplifiers

부유동은 각 증폭기의 유입구로 주입되어 노즐을 통해 분사되고, 분사된 기체는 코안다 효과가 발생하여 배관 벽면에 붙어 흐르게 된다. 이 코안다 흐름의 속도와 벤츄리 효과의 복합적인 작용으로 인하여 증폭기가 위치한 관 내부에서 압력강하가 발생하여 전방유동 영역에 흡입력을 발생시킨다. 주유동은 입구까지 전달된 흡입력으로 인하여 입구를 통해 들어와 증폭된다.

변수는 증폭기 사이 거리 L_D, 증폭기 주입구의 Y축 방향 위치 H, 이 두 가지 요소를 관 지름 D를 기준으로한 비율로 무차원화 하여 사용하였다. 그리고 AM1의 회전 각도 θ를 사용하였다. 이외 상세한 변수와 형상 정보는 Figs. 2∼3과 Tables 1∼2에 정리하였다.

Fig. 2  
Parameter description

Fig. 3  
Parameter description of AM1 and AM2

본 연구에서는 질량유량 증폭기 2기를 배치함으로써 나타나는 유동특성을 총 세 가지로 나누어 해석하였다.

첫 번째 Case는 관 지름에 대해 비율로 무차원화된 간격비(distance ratio, L_D /D) 0, 1, 2, 4를 기준으로, 질량유량 증폭기 1(AM1)의 회전 각도를 나타낸 θ 값을 각각 0 °, 90 °, 180 °로 나누어 해석하였다(Table 3 참조).

두 번째 Case는 간격비(L_D /D) 0, 1, 2, 4를 기준으로, 무차원화된 구경비(port ratio, H /D)를 각각 0, 0.25, 0.5로 나누어 해석하였다(Table 4 참조).

세 번째 Case는 간격비(L_D /D) 0, 4에 대하여 주유동의 유량 증폭률이 가장 높으며, 가장 안정적인 유동을 발생시키는 조건(θ = 180 °, H /D = 0.5)을 적용한 후, 추가로 각 증폭기에 주입되는 부유동의 유량비를 변수로 하여 해석하였다(Table 5 참조).

유동특성을 고찰하기 위해 다음과 같은 지배방정식을 사용하였다.

- 연속방정식 :

- 운동량방정식 :

위 식에서 ρ는 밀도, u_i는 속도, p는 정압, μ는 점성계수를 나타낸다. 수치해석은 ANSYS Fluent 2023 R1을 사용하였다. 난류모델은 SST(Shear Stress Transport)로 설정하여 벽면 근처에서는 k-ω 모델을, 내부유동에는 k-ϵ 모델을 사용하여 유동해석의 정합성을 높였다.

정확한 해석을 위해 격자 조건은 인플레이션 조건을 적용하여 벽면에 5개의 층을 적용하였고, 질량유량 증폭기 형상 내에는 격자 생성 조건에 first aspect ratio를 25로 추가하였다. 결과적으로 Fig. 4에 도시한 질량유량의 격자 의존성 시험에서 기준 지표인 질량유량은 작은 변화폭을 보였으며, 보조 지표로 와류 크기를 설정하여 적절한 격자계 조건을 확보하였다. 따라서 약 940만개를 기준으로 노즐 간극과 벽면에 조밀한 격자계를 적용하였다. 해의 수렴조건으로 잔류값은 10^-4 이하로 설정하였고, 수행된 전체 Case에서 질량유량 증폭기의 벽면 평균 Y⁺는 1 수준임을 확인하였다.

Fig. 4  
Grid dependency test

본 연구에서는 질량유량 증폭기 2기를 직렬로 배치하여 배치조건에 따른 유동특성을 수치해석 결과로 분석하여 연구하였다. 증폭률과 유동 안정성을 중점으로 증폭기 성능을 평가하였다. 형상 변수로써 증폭기 사이 거리(L_D /D), 증폭기 2를 기준으로 한 증폭기 1의 회전 각도(θ), 증폭기에 장착되는 부유동 주입구의 위치(H /D)에 따른 결과를 분석하였다. 그리고 유동 변수로써 각각의 증폭기에 주입되는 부유동의 유량비에 따른 결과를 고찰하였다.

• 1) 증폭기 사이 거리에 대한 증폭률 결과는 L_D /D = 0과 L_D /D = 4 조건에서 각각 239 %와 229 %로 최대 10% 차이를 보였다. 증폭기 사이 거리가 가까울수록 흡입력의 작용점이 가까워져 증폭기 1과 2의 상호작용으로 발생하는 힘의 손실이 감소하였고, 주유동이 시작하는 입구부터 증폭기까지 전방유동 영역에 작용하는 흡입력의 크기 또한 커졌다. 결론적으로 주유동 입구에 전달되는 흡입력의 증가는 증폭률 향상으로 이어졌다. 200 mm 범위 내에서는 질량유량 증폭기 2기를 최대한 가깝게 배치하는 것이 흡입력 손실을 방지하여 증폭성능을 향상하는 방향이었다.
• 2) 증폭기 1의 회전된 각도에 대한 증폭률 결과는 θ = 90 °와 180 ° 조건에서 증폭률이 평균 3 % 향상되었다. 이 결과는 부유동의 주입구 반대쪽 벽면의 유동속도가 다른 지점에 비해 빠르다는 비대칭성을 활용한 결과이다. 특히 θ = 180 ° 조건에서 벽면유동을 포함한 속도장이 대칭성을 띄며 안정적이었고, 후방유동 또한 압력장 코어 위치가 중심에 위치하면서 더 안정적인 압력장을 나타내었다. 증폭기 2기를 배치하는 경우 부유동 주입구를 서로 반대 방향으로 회전시켜 배치하는 것이 증폭성능 향상과 유동 안정성 증가에 효과적임을 알 수 있었다.
• 3) 증폭기 부유동 주입구 위치에 대한 증폭률 결과는 H /D = 0.5 조건에서 평균 3 % 향상되었다. 이 결과는 증폭기 내부에 회전유동을 생성하여 후방영역의 압력장을 안정적으로 형성한 결과이다. H /D = 0.25 조건에서는 평균 2 % 하락하였다. 이 결과는 증폭기 내부에서 공압실 내부에서 유동이 불균일하여 에너지 손실이 발생하여 불안정하게 토출되어 후방유동도 불안정하게 형성된 결과이다. 부유동 주입구는 증폭기 접선 방향에 위치시키는 것이 증폭성능 향상과 유동 안정성 증가에 효과적임을 알 수 있었다.
• 4) 증폭기 1의 회전 각도를 θ = 180 °, 부유동 주입구 위치를 H /D = 0.5 조건으로 배치하는 것이 증폭률을 향상하고 유동을 안정적으로 흐르게 하는 방법이다. 두 조건을 모두 적용하면 기존 조건보다 평균 4 % 향상된 값을 나타내었다.
• 5) 증폭기 1의 회전 각도를 θ = 180 °, 부유동 주입구 위치를 H /D = 0.5, 사이 거리를 L_D /D = 0 조건으로 배치하는 경우에는 입구에 가까운 증폭기 1의 유량비를 높은 비율로 설정하는 것이 반대의 경우에 비해 증폭률을 향상시키면서 상대적으로 안정적인 후방유동을 형성하는 방향임을 알 수 있었다. 그리고 θ = 180 °, H /D = 0.5, L_D /D = 4 조건으로 배치하는 경우에는 토출구에 가까운 증폭기 2의 유량비를 높은 비율로 설정하는 것이 반대의 경우에 비해 상대적으로 증폭률을 향상시키는 방향이었으나, 안정성이 하락한다는 것을 고려해야 함을 알 수 있었다.