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문제 정의
- 본 연구에서는 베인 펌프의 설계인자인 베인 각도 변화, 입·출구 파이프 각도 변화, 입구 파이프 위치변화, 입구 파이프 지름변화, 베인 개수 변화 및 작동 조건인 로터의 회전 속도가 펌프 내부 유동 특성에 미치는 영향에 대해 해석하였다.
- 본 연구에서는 자동차용 진공 베인 펌프에 대하여 수치해석을 수행하였다. 진공 펌프 유동장의 회전에 따른 움직임을 모사하기 위하여 이동격자방법을 사용하였으며, 설계인자 및 작동조건 변화가 유동 특성에 미치는 영향에 대해 해석하였다.
- 또한 토출부 위치변화에서 토출부를 지났을 때의 단계는 압축단계로 진공도 생성에 시간지연이 생김을 알 수 있었다. 작동조건인 회전속도에 따른 압력변화와 유량과의 관계에 대한 연구도 수행하였다. 회전속도가 커질수록 유량은 증가하였으나 고속 회전속도에서 최대 진공도 값을 나타내지는 않았다.
- 진공 베인 펌프의 설계인자 및 작동조건이 진공 펌프의 성능에 미치는 연구를 수행하였다. 이를 위해 진공 펌프의 내부유동에 영향을 미치는 설계인자의 변화에 따른 유동특성을 해석하였고 베인 펌프의 작동조건에 따른 유동특성도 연구하였다.
제안 방법
- 3.26(6)를 사용하여 진공도와 밀접한 관련이 있는 베인의 각도와 회전수, 진공펌프의 입·출구형상, 유량의 변화, 베인 개수변화 등 변수 인자 및 작동조건이 진공도 및 유량변화에 끼치는 영향을 유동 해석을 통해 확인하였다.
- 이때 펌프의 유동방향은 로터의 회전방향이며 토출부에서 나온 유동방향은 토출부의 위치에 의해 결정된다. Fig. 7은4000RPM으로 로터 회전 시 토출부의 각도 변화에 따른 유동을 비교하기 위하여 토출부와 하우징의 경계면을 기본 축으로 하여 로터 회전방향으로 15도, 반대 방향으로 90도 회전시켜 해석을 수행하였다. Fig.
- 격자생성에 있어 모든 영역에 y+를 맞춘다는 것은 3차원 유동에서 상당히 힘든 일이며, 벽 인접 첫 번째 격자의 y+값은 난류유동해석 조건인 11.25 ~ y+ ~ 300 사이에 가능한 한 맞추어 해석하였다.
- 베인 펌프 내부 유동의 비정상 해석으로부터 유동이 충분이 발달하여 주기적인 분포를 가질 때까지 해석을 수행하였다. 대부분의 해석에서 회전부분인 로터와 베인이 3바퀴 회전 후에 주기적인 결과를 보였으며 이 결과로부터 베인 펌프의 유동을 분석하였다. 본 연구에서는 베인 펌프의 설계인자인 베인 각도 변화, 입·출구 파이프 각도 변화, 입구 파이프 위치변화, 입구 파이프 지름변화, 베인 개수 변화 및 작동 조건인 로터의 회전 속도가 펌프 내부 유동 특성에 미치는 영향에 대해 해석하였다.
- 이때 회전부분의 움직임에 따라 격자점을 반경방향으로 줄이거나 늘여서 계산 격자를 재 정렬하여 로터의 움직임을 모사하였다. 따라서 벽 근처만 조밀하게 하지 않고 전체 영역에서 가능한 조밀하게 격자를 구성하였다. 특히 이 방법을 사용하면 엔진실린더 내의 유동 계산에서 필요한 밸브의 개폐시 움직임이나 본 연구에서와 같이 펌프 내에서 베인의 움직임에 따른 회전 부분을 쉽게 처리할 수 있다.
- 25도 이동시 노드(node)에 대한 연결을 재정의함으로써 베인의 움직임을 모사하였다. 또한 결과를 얻기 위하여 유량과 압력 분포가 시간에 따라 주기적 특성을 갖게 되어 유동이 충분히 발달되었다고 판단될 때까지 해석을 수행하였다.
- 또한 정지해 있는 입·출구 파이프와 회전하는 부분인 펌프와의 접합면에 서로 다른 노드(node)를 시간에 따라 연결하기 위해 인터페이스(interface)경계 조건을 사용 하였다.
- 베인 각도 변화에 따른 압력 변화를 비교하기 위해 네 가지 경우의 다른 각도를 모델링하였다. 로터의 반지름 방향 끝단에서 Fig.
- 이를 위해 진공 펌프의 내부유동에 영향을 미치는 설계인자의 변화에 따른 유동특성을 해석하였고 베인 펌프의 작동조건에 따른 유동특성도 연구하였다. 베인 펌프 내부 유동의 비정상 해석으로부터 유동이 충분이 발달하여 주기적인 분포를 가질 때까지 해석을 수행하였다. 대부분의 해석에서 회전부분인 로터와 베인이 3바퀴 회전 후에 주기적인 결과를 보였으며 이 결과로부터 베인 펌프의 유동을 분석하였다.
- 본 계산에서는 로터 부분에 해당 회전 속도를 적용하여 격자의 회전방향 생성각도 0.25도 이동시 노드(node)에 대한 연결을 재정의함으로써 베인의 움직임을 모사하였다. 또한 결과를 얻기 위하여 유량과 압력 분포가 시간에 따라 주기적 특성을 갖게 되어 유동이 충분히 발달되었다고 판단될 때까지 해석을 수행하였다.
- 이동격자 방법은 계산 공간 내의 격자가 변화되는 경우 사용되며, 본 연구에서는 펌프 유동내의 격자가 시간에 따라 바뀌므로 격자내의 노드(node)를 재정의 해가며 계산을 수행한다. 이때 회전부분의 움직임에 따라 격자점을 반경방향으로 줄이거나 늘여서 계산 격자를 재 정렬하여 로터의 움직임을 모사하였다.
- 진동을 야기하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Fig. 10에서처럼 베인 개수에 따라 회전부분을 생성하여 해석을 수행하였다.
- 진공 베인 펌프의 설계인자 및 작동조건이 진공 펌프의 성능에 미치는 연구를 수행하였다. 이를 위해 진공 펌프의 내부유동에 영향을 미치는 설계인자의 변화에 따른 유동특성을 해석하였고 베인 펌프의 작동조건에 따른 유동특성도 연구하였다. 베인 펌프 내부 유동의 비정상 해석으로부터 유동이 충분이 발달하여 주기적인 분포를 가질 때까지 해석을 수행하였다.
- 2의 (a),(b)에서 베인을 제외한 최소 체적을 나타내고 있다. 정확한 진공펌프의 해석을 위해 5만개에서 50만개 사이의 격자 체적을 통해 격자수 민감도 분석을 하였다. Table 1의 격자수 민감도 분석결과에서 약 5만개와 8만개의 격자수에서 상대적으로 약간 높은 격자 비대칭을 보였으며 해석도중 에러발생으로 비교 대상에서 제외 시켰다.
- 진공 베인 펌프 설계인자인 베인 각도 변화, 입출구 파이프 각도 변화, 토출부 위치변화, 토출부 각도 변화, 베인 개수 변화에 대한 영향을 해석하였다. 베인 각도 변화는 동일한 체적의 유지로 최대 진공도 값에 큰 영향을 미치지 않았으나, 토출부의 각도 변화는 유동흐름의 간섭을 줄일 수 있고 이것으로 인한 펌프의 손실을 줄일 수 있다.
- 진공 베인 펌프의 내부 유동 해석을 위해서 사용한 경계 조건으로 Table 2에서처럼 입구 부분에 질량 유량률, 출구 부분에 대기압의 압력 경계조건을 적용 하였다. 또한 정지해 있는 입·출구 파이프와 회전하는 부분인 펌프와의 접합면에 서로 다른 노드(node)를 시간에 따라 연결하기 위해 인터페이스(interface)경계 조건을 사용 하였다.
- 본 연구에서는 자동차용 진공 베인 펌프에 대하여 수치해석을 수행하였다. 진공 펌프 유동장의 회전에 따른 움직임을 모사하기 위하여 이동격자방법을 사용하였으며, 설계인자 및 작동조건 변화가 유동 특성에 미치는 영향에 대해 해석하였다.
- 진공도 성능평가의 한 가지 방법으로 시간에 따른 압력 기울기 값, 즉 압력 변화율이 큰 만큼 진공도생성에 유리하다고 할 수 있다. 진공 펌프의 작동조건인 로터의 회전속도 변화에 따른 내부 유동 특성을 알아보기 위해 회전속도 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000RPM에 대한 해석을 수행하여 기존의 4000RPM과 그 결과를 비교해보았다.
- 펌프와 연결된 토출부의 위치에 따른 최대 진공도와 시간에 따른 압력변화를 알아보기 위하여 Fig. 8과 같이 기준 모델링에 대하여 y축 방향으로 5mm, -8mm 이동시켜 해석을 수행하였다. Fig.
- 하지만 해석방법인 MDM(Moving Dynamic Mesh)기법은 해석할 수 있는 체적이 존재해야 한다. 회전하는 구조에서 체적이 없으면 해석할 수 있는 격자를 만들 수 없기 때문에 로터와 하우징의 off - set 거리 2.5mm에서 2.4mm로 모델링하여 우측 끝단의 gap 거리를 0.1mm로 최소한의 체적을 생성하여 해석하였다. Fig.
대상 데이터
- 동일한 회전속도에서 입구의 압력과 격자의 비대칭도(skewness)가 격자수에 따라 거의 차이를 보이지 않았다. 따라서 해석시간을 고려한 격자수 약 13만개의 모델을 선택하여 해석하였다. Fig.
- 본 연구에서 다루게 될 펌프는 저·중진공 펌프로서 베인 회전식 방식의 전자식 자동차용 진공펌프이다.
- 본 연구에서 적용되어진 회전체는 소형으로 로터의 직경 30mm, 하우징의 직경이 35mm, 베인의 최대 돌출길이는 6.04mm인 장치로서 진공 베인펌프의 유동해석을 위하여 Fig. 1과 같은 격자를 생성하였다. 실제 모델에서 출구관의 소음 절감을 위한 미로 형상의 유로가 있고 유로와 연결된 펌프 아래의 공간은 열의 냉각을 위해 설계한 것이다.
데이터처리
- 3차원 기하하적 진공펌프의 성능특성을 상용CFD 코드인 FLUENT V6.3.26을 사용하여 수치적으로 해석하였다. 유동장의 격자생성은 Gambit 2.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 상용 CFD 코드인 FLUENT V6. 3.
- 베인 펌프의 유동 해석에 있어서 실질적인 작동원리를 적용하기 위해서는 로터와 하우징 사이의 격자 회전을 모사하여야 하며, 이를 위해 이동격자(Moving Dynamic Mesh)방법을 사용하였다.
- 6을, 비구조격자계와 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 수치 알고리즘은 SIMPLE method가 사용되며, 대류항은 1차 상류도식 (first order upwind scheme)을 사용한다.
- 26을 사용하여 수치적으로 해석하였다. 유동장의 격자생성은 Gambit 2.4.6을, 비구조격자계와 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 수치 알고리즘은 SIMPLE method가 사용되며, 대류항은 1차 상류도식 (first order upwind scheme)을 사용한다.
- 해석과정에서 표준 k-ε 난류모델을 적용하였다.
성능/효과
- 이는 베인의 개수가 증가할수록 챔버 내의 베인이 차지하는 체적이 증가하는 반면 생성된 진공의 체적이 줄어들기 때문에 평균유량과 진폭이 감소한다. 4개의 베인에서 6개의 베인으로 증가시켰을 경우 진폭은 34% 감소하였고 6개의 베인에서 8개의 베인으로 증가시켰을 경우 진폭은 29% 감소하였다. 이러한 질량 유량의 진폭 감소는 챔버 내의 공력소음 감소로 볼 수 있으며 펌프성능 향상에 상당한 영향을 끼칠 것으로 판단된다.
- 이것은 입·출구 파이프와 베인이 만나는 경계에서 더 짧은 시간에 압력변화가 일어나며 고속회전에 의한 저항이 발생한 것으로 판단된다. 또한 시간스텝 5000과 7000사이에서 회전속도가 증가할수록 시간에 따른 압력 변동 폭이 그림에 표시한 것처럼 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 펌프 작동 시 질량유량은 Fig.
- 회전속도가 커질수록 유량은 증가하였으나 고속 회전속도에서 최대 진공도 값을 나타내지는 않았다. 또한 질량유량의 진동폭과 압력강하는 베인의 개수가 증가할수록 완화됨을 확인하였다.
- 13(9)은 일반적인 동력조향장치의 동력원으로 사용되는 베인 펌프의 유량을 베인의 개수 증가에 따라 나타낸 것이다. 본 연구의 해석결과와 비교하였을 때 펌프의 특성 차이는 있겠지만 베인의 개수가 증가하였을 때 나타나는 유량의 증감이 같은 경향을 보였다.
- 최근 들어 CFD는 수치기법, 격자 생성기법, 난류모델, 경계조건의 적용 그리고 컴퓨터 기술의 발달로 실험에 의해서는 수행하기 힘든 복잡한 3차원유동의 해석에 적용하면 매우 효율적이다. 유동해석 결과로부터 유동박리, 압력분포, 손실과 같은 내부 유동현상을 알 수 있으며, 추출된 값을 바탕으로 효율을 최대화하기 위하여 형상 및 설계변수를 쉽게 조정할 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로 회전하는 팬이나 펌프 압축기, 터빈 등의 유체기계가 CFD를 이용하여 주목할 만한 발전을 이루어 왔다.
후속연구
- 이러한 실험상의 문제점을 해결하기 위해 많은 산업 현장에서 CFD기법을 이용한 해석의 필요성이 증가되고 있다. 또 이를 통해 실험에서 확인할 수 없었던 장치 내의 국부적인 유동 현상 및 특징을 파악함으로써 부품의 효과적인 설계가 이루어질 수 있다. 최근 들어 CFD는 수치기법, 격자 생성기법, 난류모델, 경계조건의 적용 그리고 컴퓨터 기술의 발달로 실험에 의해서는 수행하기 힘든 복잡한 3차원유동의 해석에 적용하면 매우 효율적이다.
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