수소탱크 저장실 내 누출된 수소가스의 효율적인 배출을 위한 공급 및 배기구 위치 선정에 관한 수치해석 연구. 수소탱크 저장실 내 누출된 수소가스의 효율적인 배출을 위한 공급 및 배기구 위치 선정에 관한 수치해석 연구.
연구 배경
2 수소에너지를 사용하는 연료전지자동차. 이는 수소가스 누출로 인한 환기의 중요성을 보여준다.
연구 목적
그림 6은 일반적인 소형선박에 고압가스 방식을 이용한 자동차용 고압수소탱크를 설치할 때 수소탱크 저장공간을 간략하게 나타낸 것이다. 6 소형선박에 적용 가능한 수소탱크 저장공간 설계.
수소탱크 저장실의 모델링 및 수치해석
수소탱크의 형상
앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 상용화된 연료전지 자동차용 고압수소탱크의 형상을 단순화하여 모델링에 적용하였다. 일진복합소재에서 양산하고 있는 연료전지자동차용 고압수소탱크로, 탱크의 제원은 표 8과 같다[10].
수소탱크 저장실의 형상
수소가스 누출 해석
- 종래의 연구
- 수소탱크의 균열 상태에 따른 수소누출
- 모델링에 적용되는 수소누출 조건
수소탱크 균열로 인한 수소 누출. 따라서 본 연구에서는 수소탱크에 있어서 Fig.
수치해석
- 지배방정식
- 난류모델링
- 화학종 수송 방정식
유체역학적 압력과 열역학적으로 정의된 압력은 동일하지 않기 때문에 동일하게 만들기 위해 만들어진 가설인 Stokes의 가설을 기반으로 합니다. 열역학에서는 에너지 보존 법칙에 따라 유체의 점도와 관련된 에너지 변환이 발생합니다. 일을 할 수 있는 에너지는 이 점성에 의해 소멸되어 열과 내부에너지로 변환되는데, 이를 점성소산이라 한다.
수소가 누출되는 영역의 유동을 정확하게 시뮬레이션하기 위해서는 압축성을 고려한 유동해석이 필요합니다. 그러나 본 연구에서는 수소 누출이 발생하는 영역을 입구 경계조건으로 설정하였으므로 압축성 유동해석은 필요하지 않다. 그러나 본 연구에서는 경계부 난류를 대략적으로 예측하기 위해 중간 난류(강도 5%)로 설정하여 수소 누출 경계부의 난류 강도를 분석하였다. 해석영역 전체에 대한 난류모델은 Standard 모델을 사용하였다.
수소 누출에 관한 CFD 적합성 검증
Standard 모델과 SST 모델 모두 실험결과와 유사한 경향을 보이나, Standard 모델이 정량적으로 더 잘 일치하므로 본 연구에서는 Standard 모델을 이용하여 수치해석을 수행하였다.
수소탱크 저장실 모델링의 경계조건
격자수 의존성 검토
- 통풍용량에 따른 속도분포
이는 Figure 18과 같이 결정되었으며, 단순히 환기능력을 증가시켜 결과를 분석하였다. 그림 21은 환기 용량이 증가함에 따라 시간 경과에 따라 수소탱크 저장실 내에 남아 있는 누출 수소의 평균 몰분율을 보여줍니다. 본 연구에서 환기용량은 최소조절치의 2배로 하였다.
그림 22는 Volume Rendering 기능을 사용하여 몰분율 0~0.04 범위의 환기 용량 증가로 인해 수소탱크의 저장고에 남아있는 탈출 수소를 보여줍니다. 22 환기능력에 따른 저장공간 내 유출수소 농도 분포. Figure 23은 환기용량이 증가함에 따라 수소 누출 영역의 수직 부분에서 0~1m/s 범위의 속도 분포를 보여주고 있다.
눈에 띄는 특징은 환기능력이 증가함에 따라 탱크 바닥의 공급구에서 흐르는 공기의 속도가 증가한다는 점입니다.
배기구 위치 및 크기 변화에 따른 결과
- 배기구 높이에 따른 수소농도
- 배기구의 설치 측벽에 따른 수소농도
- 배기구의 설치 측벽에 따른 속도분포
- 탱크의 영향이 작은 경우, 배기구의 설치 측벽에 따른 수소농도
- 천장 배기구 위치에 따른 수소농도
- 멀티 배기구에 따른 수소농도
- 동일 높이의 측면 배기구 배치에 따른 수소농도
25 배기구 높이에 따른 수소의 평균 몰분율과 표준편차. 배기구 설치 측벽에 대한 수소 농도. 공기주입구와 동일한 측벽에 위치한 Vent-7의 경우, 저장실에 남아있는 탈출수소의 몰분율이 다소 낮은 것으로 나타났다.
28 출구 포트 설치 측벽에 따른 평균 수소 몰분율과 표준편차. 배기 포트의 설치 측벽에 따른 속도 분포. 34 천장 출구 위치에 따른 수소 평균 몰분율과 표준편차.
그림 38은 다중 토출구의 경우 저장실에 남아있는 누출 수소의 평균 몰분율을 누출 위치와 비교하여 나타낸 것이다. 39 다중 배기 환기 조건에서 누출된 수소의 농도 분포. 동일한 높이의 측면 배출구 배치에 따른 수소 농도.
급기구 위치 및 크기 변화에 따른 결과
- 급기구 높이에 따른 수소농도
- 급기구 높이에 따른 압력분포
- 급기구 크기에 따른 수소농도
- 급기구 크기에 따른 압력분포
- 급기구의 설치 측벽에 따른 수소농도
45 공급구 높이에 따른 수직 단면의 수소 농도 분포. 46 급수구 높이에 따른 수직단면의 속도분포. 52 급수구 크기에 따른 수평단면의 속도분포.
53 급수구 크기에 따른 수직단면의 속도분포. 54 공급구 크기 변경 시 저장공간 높이에 따른 속도 분포. 56 공급구 크기에 따른 저장공간 수평부의 압력분포.
입구 설치 측벽에 대한 수소 농도.
수소탱크 저장실의 기울기에 따른 결과
62 수소탱크 저장면적의 기울기에 따른 평균 수소 몰분율과 표준편차. 이는 수소의 밀도가 가볍기 때문에 수소탱크 저장공간의 피치가 커질수록 수소가스가 천정을 타고 배기구로 이동하기 쉽기 때문이다. 수소탱크 저장공간의 기울기가 증가할수록 저장공간 좌측 상단에 축적되는 수소의 농도가 감소하는 것을 알 수 있다.
64 수소탱크 저장고의 기울기에 따른 수직단면의 수소농도 분포. 도 64에 도시된 Line-1, 즉 수소탱크 저장공간의 공급구 영역의 높이에 대한 잔류 탈출수소의 몰분율을 표로 나타내었다. 수소탱크 저장고의 유입구와 유출구의 위치를 변화시켜 저장고 내 누출된 수소가스의 거동과 유동특성을 확인하였다.
따라서 수소탱크의 저장공간을 설계할 때에는 천장의 경사를 고려해야 한다.
