선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 김치 냉장고의 핵심 요소 중 하나인 홴 및 덕트 시스템의 성능 개선에 대한 연구를 수행하였다. 실험 계획법 및 수치해석 기법을 이용한 홴 설계를 수행 하였으며 추가적으로 덕트의 손실 요소들을 고려하여 손실을 최소화시킬 수 있는 덕트 설계 작업을 수행하였다.
- 본 논문에서는 김치 냉장고의 핵심 부품 중 하나인 홴 및 덕트 시스템의 성능 개선에 대한 연구를 수행하였으며 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 본 논문에서는 김치 냉장고의 핵심 요소 중 하나인 홴 및 덕트 시스템의 성능 개선에 대한 연구를 수행하였다. 실험 계획법 및 수치해석 기법을 이용한 홴 설계를 수행 하였으며 추가적으로 덕트의 손실 요소들을 고려하여 손실을 최소화시킬 수 있는 덕트 설계 작업을 수행하였다. 최종적으로 설계되어진 홴 및 덕트 시스템에 대한 성능을 수치해석을 이용하여 기존 모델 성능과 비교 분석하였다.
- 효율 및 설계점 유량에 영향을 미치는 입구각(βinlet)을 변수로 설정하였으며 압력 상승과 관계된 출구각(βoutlet)을 제어할 수 있는 임펠러 원호 반경(R)을 설계 변수로 선정하였다.
- 1에서 확인할 수 있듯이 입구부에 대기압 조건을 출구 측에 유량 조건을 설정하였다. 또한 periodic 경계 조건을 적용하여 날개의 1 passage 영역에 대하여 수치해석을 수행하였다.
- 4와 같다. 그래프에서 볼 수 있듯이 생성된 2k 요인 실험 set에 대하여 유량에 따른 압력차와 효율 해석결과를 기존 홴(base model)의 설계점 성능에 대한 무차원량으로 산출하였다.
- 수치해석을 통해 얻어진 결과들에 대하여 MiniTab을 이용해 Fig. 5와 같이 변수에 따른 영향성 분석 작업을 수행하였다. 그림의 주 영향도표(Main effect plot)를 통해서 볼 수 있듯이 압력차의 경우 입구각과 임펠러 원호 반경변수 모두 비슷한 수준의 영향을 미치는 것을 확인할 수 있으며 입구각이 클수록 또한 임펠러 원호 반경이 커질수록 압력차가 상승하였다.
- 분석된 결과를 바탕으로 Fig. 6과 같이 Overlaid Contour Plot을 분석하여 목표 사양을 만족하는 변수범위를 예측하였다. 압력차는 기존에 홴 성능의 약 +10% 수준, 효율은 기존홴의 효율 이상으로 목표 범위로 설정하였을 때 목표 성능을 만족 시키는 변수 범위로 입구각이 20∼30°, 임펠러 원호의 반경을 69mm를 기준으로 +6% 이상의 값을 예측하였다.
- Overlaid Contour Plot 분석 결과를 바탕으로 Table 2와 같이 목표 사양을 만족할 것으로 예상되는 7가지 optimized set을 생성하였다. 각각의 optimized set 역시 수치해석 작업을 수행하였으며 결과는 Fig.
- 윗 절에서 언급하였듯이 홴 설계 시 임펠러 사이즈 및 설치에 대한 제한 조건 때문에 홴 설계에 의한 성능 향상에는 한계가 있었다. 그에 따라 김치냉장고 홴 및 덕트 시스템 성능 개선을 위하여 추가적으로 큰 영향을 미칠 것으로 사료되어지는 덕트, 그중에서도 덕트의 흡입구에 대한 재설계 작업을 수행하였다.
- 기존 벨 마우스 형상에 대한 성능분석을 위하여 Fig. 8과 같은 경계 조건으로 수치해석 작업을 수행하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 기존 덕트 흡입구 형상(duct set1)에 기존 홴(base model)과 최적 설계 홴(optimized set3)을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였으며 수치해석 결과는 덕트 설계에 관한 연구 진행 시 기준 데이터로 활용되었다.
- 또한 입구부 출구부 모두 유동의 출입을 막아주는 격벽의 형태를 가지고 있고 끝 틈새 간격(tip clearance)이 일반적인 홴에 비하여 매우 큰 것을 확인할 수 있었다. 이러한 형상을 갖는 원인을 분석해 보기 위하여 Fig. 9와 같이 일반적으로 사용되어지는 덕트 형상을 설계하여 수치해석을 통한 성능 및 유동장 분석 작업을 수행하였다. 이때 설계 되어진 덕트 형상은 폐쇄형(duct set2)과 반개방형(duct set3) 2가지 set으로 격벽은 제거하였으며 끝 틈새 간격은 기존 모델과 동일하게 설계하였다.
- 9와 같이 일반적으로 사용되어지는 덕트 형상을 설계하여 수치해석을 통한 성능 및 유동장 분석 작업을 수행하였다. 이때 설계 되어진 덕트 형상은 폐쇄형(duct set2)과 반개방형(duct set3) 2가지 set으로 격벽은 제거하였으며 끝 틈새 간격은 기존 모델과 동일하게 설계하였다. 수치해석에 따른 성능을 기존 모델의 결과를 기준으로 무차원화 하여 Fig.
- 그에 따라 덕트 시스템 손실을 최소화 할 수 있는 덕트 형상을 찾기 위해 위의 영향 요소들을 고려하여 Fig. 12와 같이 덕트를 추가 설계하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 추가적으로 설계된 덕트 종류는 덕트 흡입구의 개방 정도에 따라 완전 폐쇄형(duct set4)에서 완전 개방형(duct set9)까지 총 6개로 분류된다.
- 본 연구 내용을 바탕으로 시스템의 압력 및 효율 성능이 가장 좋은 것으로 확인된 duct set7을 최종 덕트 설계안으로 제시하였다.
- (1) 수치해석을 이용하여 기존 모델의 홴 시스템에 대한 성능 분석을 수행하였다. 산출된 데이터들은 홴 설계시 비교 기준 데이터로 사용하였다.
- (2) 실험 계획법에 수치해석 기법을 접목하여 홴 설계 작업을 수행하였다. 최종적으로 설계된 홴의 성능이 기존 모델의 홴 성능에 비해 압력차의 경우 약 4%, 효율의 경우 약 2% 상승하였다.
- (3) 수치해석을 이용하여 기존 모델의 덕트 시스템에 대한 성능을 산출하였다. 이를 일반적인 덕트 형상의 경우와 비교 분석하여 덕트 시스템의 손실 요소들을 결정 하였다.
- (3) 수치해석을 이용하여 기존 모델의 덕트 시스템에 대한 성능을 산출하였다. 이를 일반적인 덕트 형상의 경우와 비교 분석하여 덕트 시스템의 손실 요소들을 결정 하였다.
- (4) 덕트 시스템의 손실 요소들을 고려하여 덕트 수정 설계 작업을 수행하였다. 설계 된 덕트 형상들에 대한 성능 분석을 통하여 손실 요소들에 따른 영향성 평가를 수행하였으며 최종 덕트 설계안을 제시하였다.
- (4) 덕트 시스템의 손실 요소들을 고려하여 덕트 수정 설계 작업을 수행하였다. 설계 된 덕트 형상들에 대한 성능 분석을 통하여 손실 요소들에 따른 영향성 평가를 수행하였으며 최종 덕트 설계안을 제시하였다.
대상 데이터
- 수치해석을 통하여 산출된 기존 홴 성능 데이터들은 연구 수행 시 기준 데이터로 활용되었다.
- 홴 설계를 위해 홴 임펠러의 기본이 되는 자오면을 선정하였으며 선정된 자오면은 Fig. 2와 같다. 자오면 선정 시 임펠러 사이즈 및 설치에 대한 제한 조건 때문에 임펠러 자오면의 쉬라우드의 형상에 대한 조정만이 가능하였다.
- 자오면 선정 시 임펠러 사이즈 및 설치에 대한 제한 조건 때문에 임펠러 자오면의 쉬라우드의 형상에 대한 조정만이 가능하였다. 그에 따라 기타 형상은 기존과 동일하게 고정시킨 상태에서 쉬라우드 형상만을 연구 대상 홴의 비속도(Ns 470)에 해당하는 자오면 데이터베이스를 활용하여 결정하였다.
- 8과 같은 경계 조건으로 수치해석 작업을 수행하였다. 그림에서 확인할 수 있듯이 기존 덕트 흡입구 형상(duct set1)에 기존 홴(base model)과 최적 설계 홴(optimized set3)을 각각 적용하여 수치해석을 수행하였으며 수치해석 결과는 덕트 설계에 관한 연구 진행 시 기준 데이터로 활용되었다.
데이터처리
- 실험 계획법 및 수치해석 기법을 이용한 홴 설계를 수행 하였으며 추가적으로 덕트의 손실 요소들을 고려하여 손실을 최소화시킬 수 있는 덕트 설계 작업을 수행하였다. 최종적으로 설계되어진 홴 및 덕트 시스템에 대한 성능을 수치해석을 이용하여 기존 모델 성능과 비교 분석하였다.
- 기존 홴에 대한 성능 분석 작업을 수행하기 위해 유체 기계 날개 생성 프로그램인 BladeGen을 이용하여 기존 홴 날개 형상을 생성하였다. 생성된 날개 형상에 대하여 상용 3차원 점성유체 해석 프로그램인 CFX-11을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 홴 날개의 유동장 특성을 알아보기 위한 비압축성 난류 유동해석을 위하여 3차원 평균 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다.
- 각각의 2k 요인 실험 set에 대한 성능 분석을 위하여 기존홴 성능 분석과 동일한 방법으로 수치해석을 수행하였으며 수치해석 결과 값은 Fig. 4와 같다. 그래프에서 볼 수 있듯이 생성된 2k 요인 실험 set에 대하여 유량에 따른 압력차와 효율 해석결과를 기존 홴(base model)의 설계점 성능에 대한 무차원량으로 산출하였다.
- 설계된 각각의 duct set을 적용하여 수치해석 작업을 수행하였으며 수치해석에 따른 성능을 기존 모델의 결과를 기준으로 무차원화 하여 Fig. 13과 같이 나타내었다.
이론/모형
- 기존 홴에 대한 성능 분석 작업을 수행하기 위해 유체 기계 날개 생성 프로그램인 BladeGen을 이용하여 기존 홴 날개 형상을 생성하였다. 생성된 날개 형상에 대하여 상용 3차원 점성유체 해석 프로그램인 CFX-11을 사용하여 수치해석을 수행하였다.
- 생성된 날개 형상에 대하여 상용 3차원 점성유체 해석 프로그램인 CFX-11을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 홴 날개의 유동장 특성을 알아보기 위한 비압축성 난류 유동해석을 위하여 3차원 평균 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 수치 해석 계산에 사용한 지배방정식은 유한 체적 법으로 이산화되었으며, 이산화 기법으로는 2차 이상의 정확도를 갖는 고해상도기법(high resolution scheme)을 사용하였다.
- 홴 날개의 유동장 특성을 알아보기 위한 비압축성 난류 유동해석을 위하여 3차원 평균 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 수치 해석 계산에 사용한 지배방정식은 유한 체적 법으로 이산화되었으며, 이산화 기법으로는 2차 이상의 정확도를 갖는 고해상도기법(high resolution scheme)을 사용하였다. 난류유동의 해석을 위한 난류모델은 유동박리형상 등에 적절한 전단이송(shear stress transport)모델(2)을 사용하였다.
- 수치 해석 계산에 사용한 지배방정식은 유한 체적 법으로 이산화되었으며, 이산화 기법으로는 2차 이상의 정확도를 갖는 고해상도기법(high resolution scheme)을 사용하였다. 난류유동의 해석을 위한 난류모델은 유동박리형상 등에 적절한 전단이송(shear stress transport)모델(2)을 사용하였다.
- 본 연구의 임펠러 최적설계를 위한 수치 최적화 기법으로 실험계획법의 2k 요인실험 기법을 사용하였다.
성능/효과
- 압력차는 기존에 홴 성능의 약 +10% 수준, 효율은 기존홴의 효율 이상으로 목표 범위로 설정하였을 때 목표 성능을 만족 시키는 변수 범위로 입구각이 20∼30°, 임펠러 원호의 반경을 69mm를 기준으로 +6% 이상의 값을 예측하였다.
- 일반적으로 사용되어지는 덕트의 경우 덮개부가 개방형 혹은 폐쇄형으로 되어 있지만 기존 모델의 덕트 시스템에 경우 그림에서 확인할 수 있듯이 반개방형의 형태를 띠고 있었다. 또한 입구부 출구부 모두 유동의 출입을 막아주는 격벽의 형태를 가지고 있고 끝 틈새 간격(tip clearance)이 일반적인 홴에 비하여 매우 큰 것을 확인할 수 있었다. 이러한 형상을 갖는 원인을 분석해 보기 위하여 Fig.
- 10과 같이 나타내었다. 결과를 통하여 일반적으로 사용되어지는 덕트 형태로 설계되어진 덕트 형상(duct set2, duct set3)을 적용하였을 경우 기존 덕트 형상(duct set1)을 적용하였을 때보다 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 반개방형 덕트 형상(duct set3)보다 폐쇄형 덕트형상(duct set2)의 경우 성능 감소가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 결과를 통하여 일반적으로 사용되어지는 덕트 형태로 설계되어진 덕트 형상(duct set2, duct set3)을 적용하였을 경우 기존 덕트 형상(duct set1)을 적용하였을 때보다 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 반개방형 덕트 형상(duct set3)보다 폐쇄형 덕트형상(duct set2)의 경우 성능 감소가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 11과 같이 산출하였다. 그림을 통하여 기존 덕트 형상을 적용하였을 때에 비하여 새롭게 설계한 덕트 형상을 적용하였을 경우 back flow 영역이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 폐쇄형 덕트 형상의 경우 반개방형 덕트 형상에 비하여 back flow 영역이 더욱 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 그림을 통하여 기존 덕트 형상을 적용하였을 때에 비하여 새롭게 설계한 덕트 형상을 적용하였을 경우 back flow 영역이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 폐쇄형 덕트 형상의 경우 반개방형 덕트 형상에 비하여 back flow 영역이 더욱 큰 것을 확인할 수 있었다. 이러한 back flow 영역이 홴 및 덕트 시스템 성능에 악영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 이러한 유동 특성들의 상호 작용에 의해서 일반적인 덕트 형상을 적용하였을 경우 재순환(back flow) 영역이 증가하는 것으로 사료된다. 추가적으로 유동의 반대방향으로 유입, 유출되는 유동 성분들의 일부를 격벽이 차단해 주는 것을 확인할 수 있었다.
- 윗 절의 연구를 통해서 흡입구의 개방 정도, 격벽의 유무 그리고 끝 틈새 간격 등이 덕트 시스템 손실에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 특히, 흡입구의 개방 정도가 증가함에 따라 덕트 성능이 향상되다가 일정 수준 이상의 개방 정도(duct set7∼8 사이)가 되면 성능이 다시 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 결과를 통해서 완전 폐쇄 형 덕트(duct set4)의 경우 기존 모델의 덕트(duct set1)에 비해 압력차, 효율 성능이 모두 크게 감소하는 것을 볼 수 있었다. 특히, 흡입구의 개방 정도가 증가함에 따라 덕트 성능이 향상되다가 일정 수준 이상의 개방 정도(duct set7∼8 사이)가 되면 성능이 다시 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림을 통하여 확인할 수 있듯이 완전 폐쇄형 덕트(duct set4)의 경우 홴 임펠러 쉬라우드와 덕트부 사이에서 재순환 영역이 매우 넓게 퍼져 있었다. 이러한 재순환 영역은 흡입구 면적이 커질수록 감소하다가 일정 흡입구 면적(duct set7) 이상이 되면 다시 커지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 완전 개방형 형태의 덕트(duct set9) 임펠러의 쉬라우드부에서 존재하던 재순환 영역이 임펠러 중간부까지 확산되는 것을 확인할 수 있었다.
- 이러한 재순환 영역은 흡입구 면적이 커질수록 감소하다가 일정 흡입구 면적(duct set7) 이상이 되면 다시 커지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 완전 개방형 형태의 덕트(duct set9) 임펠러의 쉬라우드부에서 존재하던 재순환 영역이 임펠러 중간부까지 확산되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 재순환 영역이 임펠러에 악영향을 미쳐 홴 및 덕트 시스템의 성능이 저하되는 것으로 판단된다.
- (2) 실험 계획법에 수치해석 기법을 접목하여 홴 설계 작업을 수행하였다. 최종적으로 설계된 홴의 성능이 기존 모델의 홴 성능에 비해 압력차의 경우 약 4%, 효율의 경우 약 2% 상승하였다.
- (5) 최종적으로 제안된 김치 냉장고용 홴 및 덕트 시스템은 기존 모델을 기준으로 볼 때 압력차가 약 6%, 효율이 약 7% 상승하였다. 이러한 성능 상승과 더불어 김치 냉장고용 홴 및 덕트 시스템 최종 모델의 경우 덕트의 흡입구 형상을 단순화하여 생산 단가 절감 및 설치 용이성 등의 추가적인 효과도 기대된다.
후속연구
- (5) 최종적으로 제안된 김치 냉장고용 홴 및 덕트 시스템은 기존 모델을 기준으로 볼 때 압력차가 약 6%, 효율이 약 7% 상승하였다. 이러한 성능 상승과 더불어 김치 냉장고용 홴 및 덕트 시스템 최종 모델의 경우 덕트의 흡입구 형상을 단순화하여 생산 단가 절감 및 설치 용이성 등의 추가적인 효과도 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.