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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 유체에 분말가루를 교반하는 경우의 Impeller 형상의 선정을 목적으로 연구를 수행하였다. 이를 위해 현재 교반기 관련 산업현장에서 실제로 산업 현장에 사용 중인 교반기용 Impeller 모델을 참고하여, Reverse Engineering(역설계)와 3차원 CAD를 이용한 Impeller 형상의 모델링작업을 수행하였다.
제안 방법
- 1. 산업용 교반기의 Impeller 형상을 역설계기법을 적용하여 형상데이터를 획득한 후, CAD 모델링으로 전환하여 CFD 해석방법에 적용하였다.
- 9〜11은 본 연구에서 선정대상으로 고려한 Impeller의 수치해석에 대한 결과를 나타낸 것이다. Impeller 형상에 따른 유동특성을 살펴보기 위해서 Impeller의 위치와 회전속도(100RPM)은 고정하였다.
- 획득된 데이터를 역설계 프로그램을 사용하여 필터링(filtering)하고 3차원 서피스(surface) 형상을 구하였다. 그리고 특정점을 이용하여 각 부분을 병합(merging)하여 완성된 하나의 형상을 만들었다. 이 과정을 통해서 Impeller 형상의 CAD 모델링에 활용하여 적용하였다[7].
- 산업용 교반기의 Impeller 형상 해석에 대해서 CFD를 적용하여 연구하였다. Impeller 형상에 따른 교반기내부의 유동특성을 고찰하기 위해서 Impeller 형상 외에 다른 조건(Impeller의 위치, 속도)은 동일하게 설정하였다.
- 완성된 3차원 형상데이터를 CAD 데이터와의 검사를 통해 일치도를 구하였다. Fig.
- 그리고 특정점을 이용하여 각 부분을 병합(merging)하여 완성된 하나의 형상을 만들었다. 이 과정을 통해서 Impeller 형상의 CAD 모델링에 활용하여 적용하였다[7].
- 교반기 내부유동영역은 크게 회전영역 (Rotational Zone)과 비회전영역 (Cylinderical Zone)으로 나눌 수 있다. 이를 3차원 CAD 모델링시에도 이를 반영하여 회전영역과 비회전영역으로 나누어 모델링을 수행하였으며, 3차원 CAD를 이용해서 두 영역으로 분리하여, 모델링한 결과는 Fig. 6에 나타내었다.
- 교반기 내부유동영역은 크게 회전영역 (Rotational Zone)과 비회전영역 (Cylinderical Zone)으로 나눌 수 있다. 이를 3차원 CAD 모델링시에도 이를 반영하여 회전영역과 비회전영역으로 나누어 모델링을 수행하였으며, 3차원 CAD를 이용해서 두 영역으로 분리하여, 모델링한 결과는 Fig. 6에 나타내었다.
- 이에 본 연구에서는 유체에 분말가루를 교반하는 경우의 Impeller 형상의 선정을 목적으로 연구를 수행하였다. 이를 위해 현재 교반기 관련 산업현장에서 실제로 산업 현장에 사용 중인 교반기용 Impeller 모델을 참고하여, Reverse Engineering(역설계)와 3차원 CAD를 이용한 Impeller 형상의 모델링작업을 수행하였다. 이를 바탕으로 CFD(전산유체역학) 기법에 적용할 것이다.
- exyma-E300 시스템은 측정영역에 비하여 높은 측정 분해능을 가지는 모아레 방식과 간결한 시스템 구성에 용이한 위상천이 방식의 장점을 결합시킨 비접촉식 3D Scanner이다. 획득된 데이터를 역설계 프로그램을 사용하여 필터링(filtering)하고 3차원 서피스(surface) 형상을 구하였다. 그리고 특정점을 이용하여 각 부분을 병합(merging)하여 완성된 하나의 형상을 만들었다.
- 4는 3차원 더이터획득결과를 나타낸 그림이다. 획득한 Impeller 형상데이터를 이용하여, 3차원 CAD 이용하여 Impeller 형상을 모델링하였으며, 이를 Fig. 5에 나타내었다. 향후 Impeller 형상과 범용유체기기에 대한 정밀한 CAD데이터확보를 위해서는 3차원 형상데이터의 추출과 관련된 연구가 더욱 필요하다고 판단된다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 격자의 생성을 위해서 격자생성 전용 프로그램인 ICEM CFD를 사용하였다. 기존의 CFD의 연구추세가 간단한 형상은 단일 HEXA mesh(사각격자)를, 보다 복잡한 형상에 대해선 단일 TETRA mesh(삼각격자)로 구성하였다. 하지만 계산정도와 시간, 후처리결과처리의 용이성 등 여러 가지 이유로 HEXA mesh가 상대적으로 우수다고 알려졌으나, 복잡한 형상에서 HEXA mesh를 구성하는 것이 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
- 본 연구에서는 Impeller를 제외한 교반기영역은 HEXA mesh로 구성하였고, Impeller 영역은 TETRA mesh로 각각 구성하였다. 따라서 Impeller의 형상이 변하더라도, 쉽게 격자를 생성할 수 있도록 하여 해석에 소요되는 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
- Impeller의 직경은 각각의 Impeller 모두 340 mm이다. 사용된 교반기는 직경 180mm, 높이 250mm의 크기이며, Impeller의 중심은 교반기 바닥으로부터 100 mm 간격을 두고 설치되었으며, 교반조 외벽에 방사형으로 설치된 배플(baffle)의 폭은 각각 80 mm이다.
- Impeller의 직경은 각각의 Impeller 모두 340 mm이다. 사용된 교반기는 직경 180mm, 높이 250mm의 크기이며, Impeller의 중심은 교반기 바닥으로부터 100 mm 간격을 두고 설치되었으며, 교반조 외벽에 방사형으로 설치된 배플(baffle)의 폭은 각각 80 mm이다.
- 본 연구에서는 Impeller형상 데이터를 확보하기 위해 Reverse Engineering(역설계) 기법을 적용하였다. 적용된 역설계 시스템은 exyma-E300(CimCore corporation)이다. exyma-E300 시스템은 측정영역에 비하여 높은 측정 분해능을 가지는 모아레 방식과 간결한 시스템 구성에 용이한 위상천이 방식의 장점을 결합시킨 비접촉식 3D Scanner이다.
이론/모형
- 또한 본 연구에서 해석을 위해 적용한 난류모델은 k-
- CFX5는 유체기계와 같은 회전유동에 적용되어 그 결과가 충분히 검증되어 있는 Solved 알려져 있다. 또한 본 연구에서 해석을 위해 적용한 난류모델은 k-ω 모델을 사용하였다. 그리고 회전유동부와 비회전유동부의 접하는 부분에는 Interface 조건을 부가하여 회전유동부와 비회전유동부의 접합부에서 발생할 수 있는 오차를 최소화 하였다.
- 본 연구에서는 Impeller형상 데이터를 확보하기 위해 Reverse Engineering(역설계) 기법을 적용하였다. 적용된 역설계 시스템은 exyma-E300(CimCore corporation)이다.
- CFD를 이용한 수치해석에서는 무엇보다도 격자(mesh) 생성이 대단히 중요하다. 본 연구에서는 격자의 생성을 위해서 격자생성 전용 프로그램인 ICEM CFD를 사용하였다. 기존의 CFD의 연구추세가 간단한 형상은 단일 HEXA mesh(사각격자)를, 보다 복잡한 형상에 대해선 단일 TETRA mesh(삼각격자)로 구성하였다.
성능/효과
- 3. Impeller의 형상에 따라 교반기에서의 유동패턴이 다르게 나타났으며, Pitched 비ade turbine type Impeller과 Screw type Impeller는 교반기 전체 유동장에서 상 · 하 비대칭적인 유동형태가 나타나고, Impeller를 기준으로 상부영역에 비해서 하부영역에서 활발한 교반효과를 기대할 수 있다. 이에 따라 교반기 전체의 유동영역에서는 고른 교반효과를 가지기 어려울 것이라고 생각된다.
- 3. Impeller의 형상에 따라 교반기에서의 유동패턴이 다르게 나타났으며, Pitched 비ade turbine type Impeller과 Screw type Impeller는 교반기 전체 유동장에서 상 · 하 비대칭적인 유동형태가 나타나고, Impeller를 기준으로 상부영역에 비해서 하부영역에서 활발한 교반효과를 기대할 수 있다. 이에 따라 교반기 전체의 유동영역에서는 고른 교반효과를 가지기 어려울 것이라고 생각된다.
- 이에 따라 교반기 전체의 유동영역에서는 고른 교반효과를 가지기 어려울 것이라고 생각된다. 따라서 본 연구의 교반목적인 해수와 붕산의 교반에서, 붕산과 유사한 분말가루의 교반에는 적절하지 못한 형태의 Impeller라고 판단된다.
후속연구
- 2. 본 연구에서 제시한 해석방법을 통해서 다양한 Impeller 형상에 대해서도 별도의 부가적인 작업 없이 적용할 수 있으며, Impeller가 적용된 범용유체기계의 해석방법에도 활용할 수 있을 것이다.
- 2. 본 연구에서 제시한 해석방법을 통해서 다양한 Impeller 형상에 대해서도 별도의 부가적인 작업 없이 적용할 수 있으며, Impeller가 적용된 범용유체기계의 해석방법에도 활용할 수 있을 것이다.
- 이를 바탕으로 CFD(전산유체역학) 기법에 적용할 것이다. 교반목적에 따라 적절한 산업용 교반기 Impeller 형상의 선정뿐만 아니라, Impeller가 적용된 범용유체기계에도 활용할 수 있을 것이라고 판단된다.
- 이를 위해 현재 교반기 관련 산업현장에서 실제로 산업 현장에 사용 중인 교반기용 Impeller 모델을 참고하여, Reverse Engineering(역설계)와 3차원 CAD를 이용한 Impeller 형상의 모델링작업을 수행하였다. 이를 바탕으로 CFD(전산유체역학) 기법에 적용할 것이다. 교반목적에 따라 적절한 산업용 교반기 Impeller 형상의 선정뿐만 아니라, Impeller가 적용된 범용유체기계에도 활용할 수 있을 것이라고 판단된다.
- 5에 나타내었다. 향후 Impeller 형상과 범용유체기기에 대한 정밀한 CAD데이터확보를 위해서는 3차원 형상데이터의 추출과 관련된 연구가 더욱 필요하다고 판단된다.
- 5에 나타내었다. 향후 Impeller 형상과 범용유체기기에 대한 정밀한 CAD데이터확보를 위해서는 3차원 형상데이터의 추출과 관련된 연구가 더욱 필요하다고 판단된다.
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