A Study on Injection Nozzle and Internal Flow Velocity for Removing Air Bubbles inside the Sample Tanks during Hydraulic Rupture Test

수압파열시험 시 시료 탱크 내부 기포 제거를 위한 주입 노즐 및 내부 유속 연구

In order to verify the durability of the high-pressure hydrogen tank in the operating pressure range, a hydraulic rupture test should be performed. However, if the bubbles generated by the initial injection process of water are attached to the inner wall of the tank and remain, a sudden pressure change of the bubbles during the rupture of the pressurized tank may cause shock and noise. Therefore, in this study, the flow velocity required to remove the bubbles remaining on the inner wall of the tank was predicted through simplified formulas, and the shape of the injection nozzle to maintain the flow velocity was determined based on the shape of the hydrogen tank for the hydrogen bus. In addition, a numerical model was developed to predict the change in flow velocity according to the inlet pressure, and an experiment was performed through a model tank to prove the validity of the prediction result. As a result of the experiment, the flow velocity near the tank wall was similar to the predicted value of the analysis model, and when the inlet pressure was 1.5 to 5.5 bar, the minimum size of the removable bubble was predicted to be about 2.2 to 4.6 mm.

사용 압력 범위에서 고압 수소 탱크의 내구성을 검증하기 위해서는 수압 파열 시험이 수행되어야 한다. 그런데 물의 초기 주입 과정에서 물과 공기의 상호작용에 의해 생성된 기포가 탱크 내벽에 부착되어 잔류할 경우, 가압된 탱크가 파열되는 과정에서 기포의 급격한 압력 변화로 인해 큰 충격과 소음이 유발된다. 따라서 본 연구에서는 단순화된 수식을 통하여 탱크 내벽에 잔류하는 기포를 제거하기 위해 필요한 유속을 예측하였으며, 수소 버스용수소 용기 형상을 기준으로 해당 유속을 유지하기 위한 주입 노즐의 형상을 결정하였다. 또한 입구 압력에 따른 유속 변화를 예측하기 위하여 수치 해석 모델의 개발이 수행되었고, 예측 결과의 타당성을 입증하기 위하여 모형 제작을 통한 실험이 수행되었다. 실험 결과, 탱크 벽면 근처의 유속은 해석모델 예측 값과 유사하게 나타났으며, 입구 압력이 1.5 ~ 5.5 bar 일 경우 제거 가능한 기포의 최소 크기는 약 2.2 ~ 4.6 mm로 예측되었다.