[논문]초소형 점성 펌프의 Wavier-Stokes 해석

강동진

초소형 점성 펌프의 Wavier-Stokes 해석
NAVIER-STOKES SIMULATION OF A MICRO-VISCOUS PUMP 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.11 no.4 = no.35, 2006년, pp.75 - 80

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Navier-Stokes simulation of the flow in a micro viscous pump is carried out. The micro viscous pump consists of a rotating circular rotor placed in a two dimensional channel. All simulation is carried out by using a finite volume approach, at the Reynolds number of 0.5, to study the performance of the micro viscous pump. Length of channel of the pump is varied to simulate the effects of the pumping load. Numerical solutions show that the net flow of the pump is realized by two counter rotating vortices formed on both sides of the rotor. The volume flow rate of the pump is decreased as length of the channel is increased, while the static pressure difference across the rotor is increased. The static pressure difference across the rotor is observed to be inversely proportional to the volume flow rate as inertia effects are negligibly small. The efficiency of the pump is found to reach a maximum when two counter rotating vortices on both sides of the rotor becomes to merge forming an outer enveloping vortex.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

회전축이 유체흐름과 9俨를 이루는 교차축회전식펌프(transverse axis rotary pump)가 세 번째 유형이다. Sen 등[4] 이 개발한 초소형 점성펌프가 이 유형에 속하며 본 논문에서도 이 펌프에 대해 연구하고자 한다.
펌프의 성능에 대단히 큰 영향을 미친다. 따라서 본연구에서는 펌프의 채널길이 변화에 따른 펌프의 성능과 펌프 내의 유동특성 등을 자세히 연구하고자 한다. 펌프의 채널 길이에 따른 펌프의 성능은 저자가 선행연구에서 개발한 비 정렬 Navier-Stokes 코드를 사용하여 예측하고자 한다[9].
본 연구에서는 점성펌프의 채널 길이 변화가 펌프의 성능에 미치는 영향을 수치해석적으로 살펴보았다. 채널의 길이가 늘어남에 따라, 즉 펌프의 부하가 증가함에 따라, 로터 좌우에 형성되는 와류의 크기가 증가하고 이에 따라 펌프의 유량이 감소하며 펌프의 정압력 상승은 증가하였다.
5일 경우 Scharatchandra등[기의 수치해와 본 수치 해를 비교한 그림으로 두 수치해가 거의 일치하는 유성 특성을 보여주고 있다. 이상의 예비 계산을 통해 본 연구의 타당성을 검증하고 펌프의 입출구 채널 길이변화 즉 펌프의 부하 변동에 따른 펌프의 특성을 살펴보았다.

가설 설정

또는 벽면에서의 속도를 가리킨다. 본 연구에서는 An=0.1, 呵=0.5로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 펌프의 입출구 채널의 무차원 길이 기g 를 2~26범위 내에서 변화시키며 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 레이놀즈 수는, 區 = 0.
연구자들의 관심을 끄는 초소형 기계는 다양하지만 본 연구에서는 유체의 점성을 이용한 초소형 펌프을 살펴보고자 한다 초소형 펌프는 유체를 양수하는 원리에 의해 분류할 수가 있는데, 크게 나누면 비기계적 원리에 의한 것과 기계적 원리에 의한 것이 있다. 예를 들면 Bart등[2]이 개발한 전자수력 펌프(electrohydrodynamic pump)는 이온저항(ion-drag)을 이용하여 유체가 적합한 전기적 성질을 지니고 있어야 함으로 응용 범위가 제한적일 수 밖에 없다.

대상 데이터

2와 같이 로터 주위에 복잡한 유동특성을 고려하여 격자를 밀집하였다. 계산에 사용된 격자점은 약 10만개이다. 또 레이놀즈 수 Tfe 는 说3命로 정의하고 계산은 Q5 일 경우에 수행하였다.

데이터처리

본 연구에서 사용한 수치해석 방법과 코드의 검증은 선행수치해석 결과 및 실험치와의 비교를 통해 수행하였다. Fig.

이론/모형

이 모델은 최근에 Beskok등[12]이 초소형가스 유동해석에 사용한 바 있으며, Scharatchandra등[기은 초소형 점성펌프유동장 해석에 적용한 바 있다. 따라서 본 연구에서도 동일한 벽면 미끄럼속도 모델을 사용하였다. 다음의 식 (4)는 본 연구에 사용된 미끄럼 속도모델이다.
본 논문에서 사용한 수치해석 방법은 SIMPLE이며 자세한 내용은 참고문헌[14]에 잘 정리되어 있으며 자세한 수치해석과정은 생략한다. 다만 수치해석에서 수렴판정은 반복 계산 간 속도 성분과 압력의 최대변화가 10T보다 작을 때를 기준으로 하였다.
본 연구에서 사용한 지배방정식은 x-y 직교 좌표계에서의 2차원 비압축성 Navier-Stokes방정식으로 다음의 식 (1), (2) 그리고 (3)으로 표현할 수 있다.
펌프의 채널 길이에 따른 펌프의 성능은 저자가 선행연구에서 개발한 비 정렬 Navier-Stokes 코드를 사용하여 예측하고자 한다[9]. 이 코드는 SIMPLE기법을 사용하여 개발되었다.
따라서 본연구에서는 펌프의 채널길이 변화에 따른 펌프의 성능과 펌프 내의 유동특성 등을 자세히 연구하고자 한다. 펌프의 채널 길이에 따른 펌프의 성능은 저자가 선행연구에서 개발한 비 정렬 Navier-Stokes 코드를 사용하여 예측하고자 한다[9]. 이 코드는 SIMPLE기법을 사용하여 개발되었다.

성능/효과

그러나 Z/(2a)=22 이후부터는 와류의 중심이동이 거의 일어나지 않으며 강도만 강해짐을 알 수 있다. 또 채널길이 Z이 증가함에 따라 와류유동 영역의 크기가 증가하여(그림에서 (+) 영역) 앞서 지적한 바와 같이 와류유동이 유체흐름을 방해함을 확인할 수 있다.
또 펌프 효율이 최대가 되는 채널길이가 존재하였다. 본 논문에서 수치해석을 수행한 s = 1.5, 压 = 0.5인 경우에는 Z/(2a) = 18에서 효율이 최대치를 가졌다.

후속연구

7 일 경우에 얻은 것으로, 로터 상부에 큰 와류유동은 3 차원 유동장 형성 가능성을 보여준다. 이에 대한 보다 자세한 결론은 후속 연구를 통해 규명해야 할 것으로 판단된다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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