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문제 정의
- 본 연구에서 유동의 수치해석을 통하여 연료펌프성능을 평가 하였다. 설계점 근처에서는 실험값과 계산값이 잘 일치를 하였느나 작동점을 벗어나서는 약간의 차이를 보였다.
- 본 연구에서는 새로운 형상의 임펠러를 모델에 대하여 수치해석을 하였다. Fig.
제안 방법
- 또한 실험적인 측면에서, Shimosaka(3)은 개수로 형의 재생 펌프를 이용하여 날개 수, 간극, 채널 면적의 치수 변화에 대한 실험을 하였다. Hollenberg"% 재생 펌프의 레이놀즈 수 변화에 대한 성능 실험을 수행하였다. 또한 90년대 중반에 들어, Hiibel(5)은 레이저 빔 시트를 이용하여 자동차 연료펌프의 내부 유동 가시화를 하였고 CFD로 내부의 유동을 계산하였지만 그 성능 값에서 비교적 큰 차이를 나타냈다.
- 계산된 결과를 토대로 운동량 교환량, 순환 유동량, 손실량 등 설계에 필요한 자료를 확보하고 1차원 해석을 통해서 여러 가지 특성치를 구할 수 있었다. 이러한 데이터는 베인의 설계자료로 활용되고 또 설계법과 성능예측 모델의 개발에 활용될 수 있다.
- 3과 같이 자동차 연료펌프에 적합한 임펠러의 형상을 디자인하였다. 그리고 이러한 연료펌프에 대하여 3차원 유동해석과 성능 실험을 수행하였다. 계산된 값은 실험값을 이용하여 구한 보정된 성능값과 비교를 하였다.
- 따라서 상당한 구간에서 충분히 발달된 3차원 유동을 형성한다. 따라서 내부 유동의 수치해석을 효율적으로 이용하기 위 하여 하나의 날개 의 베인 과 이 에 해 당하는 사이드채널로 구성된 공간에서 유동해석을 수행하였다. Fig.
- 벽은 움직이지 않고 고정되어 있고, 임펠러는 회전을 하기 때문에 상대 좌표계에서 계산을 하였다. 또한 임펠러가 양면에서 대칭이기 때문에, 대칭면을 만들어 한쪽 날개 영역에 대하여 계산을 하였다.
- 이용하였다. 벽은 움직이지 않고 고정되어 있고, 임펠러는 회전을 하기 때문에 상대 좌표계에서 계산을 하였다. 또한 임펠러가 양면에서 대칭이기 때문에, 대칭면을 만들어 한쪽 날개 영역에 대하여 계산을 하였다.
- 식 (1)은 유체가 에너지를 받을 수있는 유효 구간의 단위 회전 각도당 상승하는 수두를 나타낸다. 본 연구에서는 체적력 fθ를 계산영역에 적용시키고, 수치해석을 통하여 유량을구하였다. 이러한 체적력을 적용시킴으로써 실제압력은 체적력에 의해서 구해지는 선형적으로 증가하는 압력과 계산에 의해서 구해지는 압력의합으로 나타나게 된다.
- 수치 해석이 이루어진 영역이 주기적이므로 임펠러 회전하는 방향으로 양쪽에 주기 면을 정하였다. 양쪽의 주기면에 의하여 각각 입구면, 출구 면을 정의할 수 있다.
- 실제 임펠러의 직경은 30mm이고 가솔린에서 작동하지만 실험의 편의성을 위하여 5배 확대 모형을 제작하였고 물을 사용하여 수행하였다. 실험은 실물과 동일한 레이놀즈 수에서 수행하기 위해서 회전수 400, 600, 800rpm을 택하였다.
- 실제 임펠러의 직경은 30mm이고 가솔린에서 작동하지만 실험의 편의성을 위하여 5배 확대 모형을 제작하였고 물을 사용하여 수행하였다. 실험은 실물과 동일한 레이놀즈 수에서 수행하기 위해서 회전수 400, 600, 800rpm을 택하였다. 여기서 실험에 대한 자세한 내용은 다루지 않았으나 Fig.
- 양쪽의 주기면에 의하여 각각 입구면, 출구 면을 정의할 수 있다. 압력은 양쪽의 주기 면사이에서 선형적으로 증가하기 때문에 일정한 압력 상승에 해당하는 체적력을 적용하였다. 체적력(7)은
- 4에 수치해석을 위한 격자 구성을 나타내었다. 임펠러 날개를 중심으로 양쪽에 두 개의 베인과 하나의 임펠러 날개, 그리고 사이드 채널 영역으로 구분할 수 있으며 5개의 멀티블록을 설정하여 수치해석을 하였다. 전체 수치해석영역의 격자는 122, 400개이다.
- 재생펌프의 성능 실험 시, 중심부에서 임펠러와 케이싱 사이 의 간극, 스트리퍼 구간에서 의 임펠러 팁 부분에서의 간극 그리고 스트리퍼 구간에서의 임펠러 날개와 케이싱 사이의 간 극에서 누설 유량이 발생을 하며, 입/출구에서 과도구간에서의 압력저하에 해당하는 유량의 보정을 하였다. 수치해석으로 계산된 값과 보정된 성능을 무차원 하여 비교해 보았을 때, 전체적으로 그 성능의 경향이 어느 정도 비슷하게 나타난 것을 알 수 있다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 선행 되어진 연구를 바탕으로 Fig. 3과 같이 자동차 연료펌프에 적합한 임펠러의 형상을 디자인하였다. 그리고 이러한 연료펌프에 대하여 3차원 유동해석과 성능 실험을 수행하였다.
- 사용된다. 본 논문에서 연구가 수행된 재생펌프는 Fig. 1 에서와 같이 자동차 연료펌프 밑 부분에 위치하며, 3.8 bar의 균일한 압력으로 인젝터에 연료를 공급하는 역할을 한다. 이러한 재생펌프는 입구 케이싱과 출구 케이싱 사이에서 회전하는 임펠러 직경이 약 30mm 정도로 상당히 소형이고, 7500 rpm으로 회전하기 때문에 내부에서 복잡한 3차원 유동이 발생한다.
- 하였다. 유체는 가솔린이고, 임펠러 회전수는 7500rpm 이다.
- 임펠러 날개를 중심으로 양쪽에 두 개의 베인과 하나의 임펠러 날개, 그리고 사이드 채널 영역으로 구분할 수 있으며 5개의 멀티블록을 설정하여 수치해석을 하였다. 전체 수치해석영역의 격자는 122, 400개이다.
데이터처리
- 그리고 이러한 연료펌프에 대하여 3차원 유동해석과 성능 실험을 수행하였다. 계산된 값은 실험값을 이용하여 구한 보정된 성능값과 비교를 하였다. 그리고 재생 펌프 내부에서의 유동장 분포, 접선 속도 분포, 정압 분포를 확인할 수 있었으며, 임펠러 베인과사이드 채널에서 발생된 순환유동의 운동량 교환을 알 수 있었다.
- 재생펌프의 성능을 수치 해석을 위한 계산 격자는 STAR-CD 를 이용하여 생성 하였으며, CFX-TASCflow 를 사용하여 수치해석을 하였다. 유체는 가솔린이고, 임펠러 회전수는 7500rpm 이다.
이론/모형
- 내부에서의 유동은 난류로 가정하여 k-ε 모델을 사용하였고, 벽에서는 벽함수를 이용하였다. 벽은 움직이지 않고 고정되어 있고, 임펠러는 회전을 하기 때문에 상대 좌표계에서 계산을 하였다.
- 수치해석 결과의 타당성은 검토하기 위해서 임과 강(9)에서 수행한 실험결과를 활용하였다. 실제 임펠러의 직경은 30mm이고 가솔린에서 작동하지만 실험의 편의성을 위하여 5배 확대 모형을 제작하였고 물을 사용하여 수행하였다.
성능/효과
- 수치해석으로 계산된 값과 보정된 성능을 무차원 하여 비교해 보았을 때, 전체적으로 그 성능의 경향이 어느 정도 비슷하게 나타난 것을 알 수 있다. 그러나 수치해석을 통한 재생펌프의 성능예측이 작동점에서 보정된 실험값과 거의 일치하고 전체적으로도 유사한 경향을 나타냈기에, 성능 예측의 신뢰도는 충분히 있다고 생각된다.
- 계산된 값은 실험값을 이용하여 구한 보정된 성능값과 비교를 하였다. 그리고 재생 펌프 내부에서의 유동장 분포, 접선 속도 분포, 정압 분포를 확인할 수 있었으며, 임펠러 베인과사이드 채널에서 발생된 순환유동의 운동량 교환을 알 수 있었다.
- 3과 같이 임펠러날개가 J자로 끝이 굽어, 순환하는 유체에 운동량을 좀 더 잘 전달 할 수 있도록 하였다. 그리고사이드 채널의 면적을 현재 사용되는 자동차 연료펌프의 면적보다 78% 정도 크게 하여 순환유동을 증가시켰다.
- 또 수치해석을 통하여 베인 내부에서 유도되는 순환 유동과 베인의 회전에 따른 유동 박리로 구성된 복잡한 3차원 유동구조를 확인할 수 있었다. 계산된 결과를 토대로 운동량 교환량, 순환 유동량, 손실량 등 설계에 필요한 자료를 확보하고 1차원 해석을 통해서 여러 가지 특성치를 구할 수 있었다.
후속연구
- 계산된 결과를 토대로 운동량 교환량, 순환 유동량, 손실량 등 설계에 필요한 자료를 확보하고 1차원 해석을 통해서 여러 가지 특성치를 구할 수 있었다. 이러한 데이터는 베인의 설계자료로 활용되고 또 설계법과 성능예측 모델의 개발에 활용될 수 있다.
- 최고 효율점, 이때 유량계수와 압력계수를 구하여 베인의 설계자료로 활용되고 또 설계법과 성능예측 모델의 개발에 활용될 수 있다.
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