[CFD] "End cap effect"란 무엇이며, 이 효과에 대한 설명은 무엇인가요?

정의

"End cap effect"(엔드 캡 효과)란 내부 압력이 파이프 세그먼트의 각 끝에서 (가상의) 캡 또는 덮개에 작용하여 내부 압력(P)을 유지하도록 만드는 힘을 의미합니다. 

"End cap effect"는 "closed-end effect"(폐단 효과) 또는 "end load"(말단 하중)라고도 불립니다.

엔드 캡 힘 F는 내부 압력 P와 파이프 끝 단면에서 유체가 차지하는 면적의 곱과 같습니다.

원형 단면을 가지며 축에 수직으로 절단된 파이프의 경우, 엔드 캡 힘은 다음과 같이 표현됩니다.

F=P·π·R²

여기서 R은 파이프의 내부 반지름입니다.

엔드 캡 효과는 파이프에 축 방향 인장력을 발생시킵니다.

참고 사항

일반적으로 엔드 캡 효과는 유체의 압력을 받는 모델 내 모든 개구부(구멍)에 적용됩니다.

설명

압력 용기를 해석할 때, 일반적으로 개구부와 연결된 파이프가 포함됩니다. 하중은 내부 모든 면에 작용하는 내부 압력으로 구성됩니다.

연결된 파이프는 보통 매우 길지만, 해석을 위해 파이프를 압력 용기에서 일정 거리 떨어진 지점에서 절단합니다. 따라서 해석 모델에는 파이프의 일부만 포함됩니다.

실제로 파이프 끝에는 압력을 가두는 덮개 또는 이와 동등한 역할을 하는 구조물이 존재합니다. 압력이 유지되려면 반드시 이를 가두는 구조물이 있어야 합니다.

해석 모델에서 제외된 파이프 부분에 작용하는 방사형 압력은 상쇄되지만, 덮개에 작용하는 압력은 상쇄되지 않습니다. 이때 힘은 다음과 같이 계산됩니다.

F = P · A

여기서 AA는 파이프 내부 면적이자 덮개의 면적입니다. 이 힘은 파이프에 인장력을 발생시킵니다.

그렇다면, 엔드 캡 힘이 불균형을 초래할까요? 그렇다면 압력 용기의 고정점에서 반작용력이 발생할까요? 

답은 "아니요"입니다. 

엔드 캡 힘이 존재하는 경우에도 압력 용기는 내부 압력을 가진 완전한 폐쇄 시스템이므로 평형을 유지합니다.

이 그림을 참고해 주세요: