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제안 방법
- (1) 원심 필터와 같은 고속 회전체의 유동장 해석 방법론을 상용코드인 Fluent 코드를 기반으로 구축하였다. 핵심 모델은 rotating reference frame 모델, 불순물 입자에 대한 discrete phase modeling 등이다.
- 2의 오른쪽 그림과 같이 mesh를 작성하였으며 총 셀 개수는 33000개 정도이다. 격자 크기에 대한 영향을 검토하기 위해 167000여개의 fine mesh에 대해 해석한 결과 동일함을 확인한 후 계산 시간의 단축을 위해 대부분의 계산은 coarse mesh로 수행하였다.
- 윤활유와 불순물 입자간의 운동량 전달은 입자의 밀도, 입자의 크기 및 캐이싱 내의 유동장(fluid flow field)에 의해 지배되며, 따라서 불순물의 외벽으로의 이동 정도, 즉 각 입자의 필터링 정도를 분석하기 위해서는 회전하는 원통형 캐이싱 내부에서 오일과 불순물 입자의 유동장을 해석할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 원심필터 캐이싱 내부의 회전하는 3차원 유동장을 열유체 범용코드인 Fluent 코드[2]를 사용하여 해석하였으며, 입자 유동 해석을 통해 불순물 입자의 필터링 효율에 대해 분석하였다.
- 원심필터의 필터링 효율에 영향을 주는 변수로 회전 속도, 입자 크기, 입자 밀도를 들 수 있다. 따라서 유동장 및 입자들의 필터링 효율을 계산하기 위해 다음과 같은 조건에 대해 해석을 수행하여 비교 분석하였다.
- 여기서 회전속도 범위는 설계 정격속도가 3500 RPM이며 엔진 RPM에 따른 윤활유 압력 또는 유량에 따라 오일필터 회전수 변화의 영향을 관찰하고자 한 것이며, 입자크기는 10 μm 이상의 크기에 대해, 그리고 입자밀도는 불순물 물질의 종류가 가벼운 유기물질부터 금속산화물 등 다양하므로 대표되는 3가지의 밀도를 선택하였다.
- 원심필터의 경우 입자들의 분포가 오일 유동 자체에 비해 매우 적은 체적을 차지하므로 오일의 유동장 해석을 먼저 수행하고 이 유동장을 바탕으로 입자들의 운동을 계산하여 입자들이 원심필터 벽에 닿을 경우 필터링 되는 것으로 하고, 출구를 통해 오일과 함께 나가는 입자들은 필터링 되지 않는 경우로 구분하였다. 필터링 효율에 영향을 주는 변수로 회전 속도, 입자 크기, 입자 밀도를 들 수 있다.
- 입자에 대한 물성치로 입자의 밀도가 요구되는데 윤활유 불순물의 종류는 금속 또는 금속산화물, 연소에 따른 유기물 등으로 이들의 밀도가 크게 다르므로 1000～6000 kg/m3 범위에서 입자 밀도의 영향을 해석하였다.
- 입자의 직경은 Injection 변수에서, 입자의 밀도는 Material type에서 Inert particle로 정의하여 입력하고 Discrete phase에 대한 경계조건으로 오일 입구에서는 'Reflect', 필터 벽면에서는 'Trap'으로 정하여 벽에 부딪치는 입자는 필터에 의해 제거되는 것으로 정하였다.
대상 데이터
- 그리고 안쪽 원통 상부에 4개의 입구 (직경 d=19 mm), 하부에 4개의 출구(직경 d=19 mm)가 위치한다. Gambit을 사용하여 Fig.2의 오른쪽 그림과 같이 mesh를 작성하였으며 총 셀 개수는 33000개 정도이다. 격자 크기에 대한 영향을 검토하기 위해 167000여개의 fine mesh에 대해 해석한 결과 동일함을 확인한 후 계산 시간의 단축을 위해 대부분의 계산은 coarse mesh로 수행하였다.
- 해석 대상의 원심필터의 구조는 수치해석의 단순화 목적으로 Fig. 2와 같이 두 개의 동심 원통으로 구성되어 있으며, 내경 73 mm, 외경 179 mm, 높이 215 mm이다. 그리고 안쪽 원통 상부에 4개의 입구 (직경 d=19 mm), 하부에 4개의 출구(직경 d=19 mm)가 위치한다.
- 1의 개략도와 같다. 환상형 필터 드럼의 내부 주요 크기는 외경 179 mm, 내경 73 mm, 높이 215 mm이며 오일의 입 출구로 직경 19 mm의 구멍이 각각 4개씩 사용된다.
이론/모형
- 원심필터 내부 오일의 유동이 계산된 후 이 유동장을 이용하여 입자의 운동을 계산하기 위해 Fluent의 Discrete Phase Model을 사용하였다. 입자의 직경은 Injection 변수에서, 입자의 밀도는 Material type에서 Inert particle로 정의하여 입력하고 Discrete phase에 대한 경계조건으로 오일 입구에서는 'Reflect', 필터 벽면에서는 'Trap'으로 정하여 벽에 부딪치는 입자는 필터에 의해 제거되는 것으로 정하였다.
- 이상의 원심필터 내의 오일 유동 및 입자의 운동에 대한 수치 해를 Fluent 코드를 사용하여 구하였다. 원심필터의 경우 입자들의 분포가 오일 유동 자체에 비해 매우 적은 체적을 차지하므로 수치해석 방법은 Uncoupled, 즉 오일의 유동장 해석을 수행하고 이 유동장을 바탕으로 입자들의 운동을 계산하여 입자들의 원심필터 벽에 닿을 경우 제거되는 것으로 하고, 출구를 통해 오일과 함께 나가는 입자들은 필터링 되지 않은 경우로 하였다.
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