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테일러 유체흐름
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LCTR® system의 탄생

테일러 유체흐름은 1900년초에 쿠에트가 유체흐름을 발견하여 점도계로 사용되었으며, 테일러가 1900년 중반에 수식으로 유체해석을 하게된 흐름입니다. 테일러 유체흐름은 매우 높은 물질전달 속도를 나타내고 있어 열교환기로 사용이 되었으며, 당사에서는 화학 제품 생산용 반응기로 적용하여 상업화 하였습니다.

테일러 유체흐름이란?

테일러 유체흐름을 이용한 반응기는 두 개의 원통으로 이루어져 있으며, 환봉 형태의 원기둥 외곽에 파이프 타입의 원통이 들어가 있는 형태입니다. 외부원통은 고정되어 있으며, 내부원통이 회전함에 따라 독특한 유동특성이 나타나는 것을 말합니다.

내부 원통이 회전을 할 때 유체는 회전방향으로 흐름이 생기게 되는데, 원심력과 코리올리 힘에 의해 내부 원통 쪽에 존재하는 유체들이 외부 원통 방향으로 나가려는 힘이 생겨 회전속도가 올라갈수록 점점 불안정하게 되어 축 방향에 따라 규칙적이며 서로 반대방향으로 회전하는 고리쌍 배열의 와류가 형성되는데 이것을 테일러 흐름이라 합니다.

테일러 유체흐름의 생성원리

테일러 유체흐름은 내부 원통의 회전 속도를 변화시킴으로써 쉽게 난류를 발생시킬 수 있으므로 유체의 안정성을 연구하는데 많이 이용되고 있습니다. Rayleigh는 최초로 비점성 유체에 관해 안정성 해석을 수행하였습니다.

점성 유체에 대해 Taylor는 선형 이론에 근거하여 임계 Taylor 수보다 큰 영역에서 테일러 와류가 발생한다고 보고하였다. 유동의 불안정성 조건은 Taylor 수(Ta)로 나타낼 수 있고 회전 방향 Reynolds 수와 반응기의 형태 인자(d/R1)으로 정의된다.


여기서 d는 두 원통 사이의 간격, R1은 내부 원통의 반경, ω1은 내부 원통의 회전 각속도 그리고 ν 는 유체의 동점도를 나타낸다.

Taylor는 d/R1이 0에 근접할 때 임계 Taylor 수(Tac)가 41.3임을 제시하였으며, Kataoka 등은 축방향 흐름이 없고, d/R1이 0.62일 때 Taylor 수를 기준으로 유동 특성을 다음과 같이 세분화하였다.

  • Ta < Tac : laminar flow
  • Tac < Ta < 800 : laminar vortex(single periodic) flow
  • 800c < Tac < 2000 : laminar vortex(double periodic) flow
  • 2000c < Tac < 10000~15000 : turbulent vortex flow
  • Tac > 15000 : turbulent flow

http://serve.me.nus.edu.sg/limtt/
Geometry

유체흐름 연구
Ta(rpm) 2.016(2.7) 2,879,080(100) 289,726,287(1,000) 2,591,007,081(3,000)
테일러 유체흐름
Number of annulus(ea) 24 19 11 9
Vertex length(mm) 8.5 9.8 19.3 25.2



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