유동 계산에 적용된 모멘텀, 에너지 방정식은 다음과 같다. 모멘텀 방정식(식 (1), 식 (2)).

에너지 방정식(식 (3)).

난류계산은 SST(Shear Stress Transport) 난류 모델을 사용하였다(식 (4) ~ 식 (6)).

여기서 U는 속도벡터, S_M은 운동량 생성항, τ은 응력 텐서, T은 온도, δ은 단위행렬, ρ은 밀도, h은 비정상엔탈피, ⋋은 열 전도도, S_E은 에너지 생성항, k은 단위 질량당 난류 운동 에너지, ω은 각 속도를 나타낸다.

본 논문은 선행 연구[12]의 2단촉매 PAR 내부형상을 기본으로 외부에 가이드를 부착하여 Ansys CFX 코드를 이용해 영향을 분석하였다. 가이드의 영향을 알아보기 위해 가이드의 높이(크기)를 50, 100, 150mm, 촉매부와의 거리를 0, 50, 100mm, 가이드의 각도를 30, 60, 120, 150°로 바꾸어 유속 1m/s일 때 바람의 방향 0, 90, 180°에서 해석을 수행하였다. Table 1는 계산 조건을 나타낸다.

Figure 1는 각 조건의 모델링을 나타내고 Figure 2는 격자를 생성한 모습이다. 격자의 개수는 150만개 정도이다.

Figure 1: 
Structures of the cases

Figure 2: 
Calculation mesh

본 논문에서 가이드의 성능을 평가하기 위해 유도되는 수소의 면적과 1단 촉매부를 통과하는 수소의 유량을 분석하였다. Figure 3는 성능 평가 방법 중 유도되는 수소의 면적을 측정하는 방법을 나타낸다. 가이드의 밑면을 중심으로 지름 1m의 구를 생성하여 유도되는 수소의 면적을 계산하였다.

Figure 3: 
Measurement method of hydrogen induction area

Figure 4는 유동의 방향이 아래에서 위로 향할 때 각 조건들의 수소 유도 면적을 나타낸다. PAR 내부의 고온에 의하여 발생한 강한 유동은 하부의 유체를 빨아 올리는 유동을 생성한다. 가이드가 없는 경우 입구주변의 유체만이 입구로 흡입된다. 그러나 가이드가 설치되면 가이드 내벽에 부딪쳐 입구로 흡입되는 유량이 증가한다. 가이드의 높이가 증가하면 내벽에 부딪치는 유량이 증가하면서 유도면적이 증가한다. 촉매부와 가이드의 거리가 증가하면 입구에서 유체를 빨아 올리는 힘이 줄어들어 흡입되는 유량이 줄어들게 되어 유도면적이 감소한다. 가이드 각도 60°까지 증가된 넓이로 인해 내벽에 부딪쳐 흡입되는 유량이 증가하면서 유도면적이 증가한다. 가이드 각도 120°일 때 일부는 외벽에 부딪쳐 가이드 외부에 와를 생성하고 입구로 흡입되므로 150°일 때보다 유도면적이 넓지만 각도 60°일 때의 유도면적에 미치지 못한다.

Figure 4: 
Flow behavior in the case of upward flow

Figure 5는 Figure 4의 수소 유도 면적을 측정하여 나타낸 도표이고 Figure 6는 1단 촉매부를 지나는 수소의 유량을 도표로 나타낸 것이다. 두 그래프를 종합하면 가이드 높이가 증가함에 따라 빨려 들어오는 수소 유도면적이 증가, 가이드와 촉매사이 거리의 경우 빨려 들어오는 유동 폭이 감소화 하여 유도면적 감소, 각도의 경우 60°일 때 수소 유도면적이 증가한 것을 알 수 있다. 유동의 방향이 아래에서 위로 향하는 모든 경우 가이드의 설치가 유동 폭과 면적을 증가시켰다.

Figure 5: 
Induced area in the case of upward flow

Figure 6: 
Induced hydrogen flow rate in the case of upward flow

Figure 7는 유동의 방향이 옆으로 향할 때 각 조건들의 수소 유도 면적을 나타낸다. 가이드가 없는 경우 입구주변의 유체만이 입구로 흡입된다. 그러나 가이드가 설치되면 일부는 가이드 외벽에 부딪쳐 흡입되고 일부는 가이드 하부의 입구를 통해 흡입된다. 가이드의 높이가 증가하면 외벽에 부딪치는 유량이 증가하여 전체 흡입면적이 증가한다. 촉매부와 가이드의 거리가 증가하면 외벽에 부딪쳐 올라가는 유량과 하부 입구에서 흡입되는 유량에 의해 촉매부와 가이드 사이를 지나가는 유동의 흡입 유량이 많아져 전체적으로 유도면적이 증가한다. 가이드 각도 60°까지 외벽에 부딪쳐 입구로 흡입되는 유량이 증가하여 유도면적이 증가한다. 가이드 각도 120°일 때에 비해 150°일 때 외벽에 부딪친 유동이 와를 생성하기 때문에 입구로 흡입되는 유량이 많아 유도면적이 넓지만 60°일 때 비해 줄어든다. Figure 8는 Figure 7의 수소 유도 면적을 측정하여 나타낸 도표이고 Figure 9는 1단 촉매부를 지나는 수소의 유량을 도표로 나타낸 것이다. 두 그래프를 종합하면 가이드 높이가 증가함에 따라 빨려 들어오는 유동 폭이 감소화 하지만 넓어진 입구면적의 영향으로 수소유도면적은 증가, 가이드와 촉매사이 거리의 경우 빨려 들어오는 유동 폭이 50mm일 때 까지 소량 증가 후 감소하고 유도면적 증가, 각도의 경우 빨려 들어오는 유동 폭 및 면적이 60°까지 증가 후 감소하는 모습을 보인다. 가이드의 설치는 유동 폭은 감소 시켰으나 촉매부와의 거리가 0mm 일 때를 제외하고 면적을 증가시켰다.

Figure 7: 
Flow behavior in the case of sideward flow

Figure 8: 
Induced area in the case of sideward flow

Figure 9: 
Induced hydrogen flow rate in the case of sideward flow

Figure 10는 유동의 방향이 아래로 향할 때 각 조건들의 수소 유도 면적을 나타낸다. 가이드가 없는 경우 촉매부의 반응으로 인해 생성된 와가 입구 양 끝에 위치해 양 끝에서만 흡입된다. 그러나 가이드가 설치되면 내벽과 외벽에 부딪친 유동이 와의 위치를 입구 중앙으로 이동시켜 흡입면적을 증가시킨다. 가이드의 높이, 거리가 증가하면 내벽에 부딪치는 유량보다 외벽에 부딪치는 유량이 증가하여 유도면적이 감소한다. 가이드 각도 60°까지 외벽에 부딪치는 유량보다 내벽에 부딪쳐 입구로 흡입되는 유량이 증가하여 유도면적이 증가한다. 가이드 각도 150°일 때에 비해 120°일 때 외벽에 부딪친 유동이 또 다른 작은 와를 생성하기 때문에 입구로 흡입되는 유량이 많아 유도면적이 넓지만 60°일 때 비해 줄어든다. Figure 11는 Figure 10의 수소 유도 면적을 측정하여 나타낸 도표이고 Figure 12는 1단 촉매부를 지나는 수소의 유량을 도표로 나타낸 것이다. 두 그래프를 종합하면 가이드 높이와 거리가 증가함에 따라 빨려 들어오는 유동 폭 및 면적 감소화, 각도의 경우 각도가 증가함에 따라 유동 폭은 감소화, 면적은 60°까지 증가 후 감소하였다. 가이드의 설치는 유동 폭을 크게 향상 시켰고 촉매부와의 거리 100mm, 각도 30°, 150°를 제외하고 면적을 증가 시켰다.

Figure 10: 
Flow behavior in the case of downward flow

Figure 11: 
Induced area in the case of downward flow

Figure 12: 
Induced hydrogen flow rate in the case of upward flow