본 연구는 HVAC 시스템의 성능 개선을 위해 원심 임펠러의 블레이드의 중심각, 토출구의 길이와 같은 형상을 변화시켜 수치적으로 해석하였다. 임펠러 내의 속도장, 압력장, 난류 강도, 온도장을 계산하기 위하여 상용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하였다. 시스템의 워밍업에 상관없이 히터 파워 레벨이 증가하면 임펠러 내 주위의 온도는 외기 투입시 온도가 증가하였지만 내기 순환 시에는 온도가 오히려 감소하였다. 결과적으로 성능 개선을 통한 $CO_2$ 감소는 블레이드 중심각 및 토출구 길이의 변화를 통한 유속 및 유량의 변화를 통해 이룰 수 있었다.
본 연구는 HVAC 시스템의 성능 개선을 위해 원심 임펠러의 블레이드의 중심각, 토출구의 길이와 같은 형상을 변화시켜 수치적으로 해석하였다. 임펠러 내의 속도장, 압력장, 난류 강도, 온도장을 계산하기 위하여 상용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하였다. 시스템의 워밍업에 상관없이 히터 파워 레벨이 증가하면 임펠러 내 주위의 온도는 외기 투입시 온도가 증가하였지만 내기 순환 시에는 온도가 오히려 감소하였다. 결과적으로 성능 개선을 통한 $CO_2$ 감소는 블레이드 중심각 및 토출구 길이의 변화를 통한 유속 및 유량의 변화를 통해 이룰 수 있었다.
In this research, various cases of centrifugal impeller for HVAC system have been numerically analyzed by changing center angle of blades and length of outlet. Commercial CFD code, FLUENT has been used to calculate velocity, pressure, turbulence intensity, and temperature that can lead numerous resu...
In this research, various cases of centrifugal impeller for HVAC system have been numerically analyzed by changing center angle of blades and length of outlet. Commercial CFD code, FLUENT has been used to calculate velocity, pressure, turbulence intensity, and temperature that can lead numerous results. Regardless of warming up, when the heater power level was increased, the temperature inside surrounding impeller also increased due to flowing outer air, but the temperature decreased because of flowing inner air. Consequently, the variation of central angle of blades and length of outlet led difference of velocity and flow rate which can reduce $CO_2$ in gas emission.
In this research, various cases of centrifugal impeller for HVAC system have been numerically analyzed by changing center angle of blades and length of outlet. Commercial CFD code, FLUENT has been used to calculate velocity, pressure, turbulence intensity, and temperature that can lead numerous results. Regardless of warming up, when the heater power level was increased, the temperature inside surrounding impeller also increased due to flowing outer air, but the temperature decreased because of flowing inner air. Consequently, the variation of central angle of blades and length of outlet led difference of velocity and flow rate which can reduce $CO_2$ in gas emission.
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문제 정의
본 연구에서는 중형차의 HVAC 원심 임펠러 내부에 대해 상용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하여 임펠러의 회전수를 변화시키며 또한 임펠러 블레이드 형상 및 임펠러 토출구의 형상을 변경하여 임펠러 내부의 열 및 유동장을 해석 및 측정하여 임펠러 내부의 유동 현상을 파악하여 원심 임펠러의 성능 향상을 위한 최적 설계에 목적을 두었으며 중형 자동차 HVAC 시스템의 성능 향상을 통한 자동차 연비 감소 및 배출 오염 물질을 저감시키고자 한다.
제안 방법
블레이드의 원주각을 원래 각도(120°)에서 20°증가시킨 145°로 설계 변경을 하여 해석을 하였고, 임펠러 토출구 면의 길이 변화를 두어 수치해석하였다.
임펠러 블레이드의 원주각 및 임펠러 토출구의 길이의 설계 변경을 통해 임펠러 내의 시험 유체의 속도, 압력, 난류강도, 온도를 수치적으로 해석하였다. 블레이드의 원주각을 원래 각도(120°)에서 20° 증가시킨 145°로 설계 변경을 하여 해석을 하였고, 임펠러 토출구 면의 길이 변화를 두어 수치해석하였다.
실제 중형차HVAC 시스템의 히터 파워 레벨중 가장 연료 소모량이 많아서 환경오염 물질이 가장 심한 히터 파워 레벨 4에서의 임펠러 주변 온도를 측정하기 위하여 적외선 열화상 카메라를 사용하였다. 또한 임펠러 내부에서 워밍업 전의 내기 및 외기가 투입되었을 때의 온도와 워밍업 후의 내기 및 외기가 투입되었을 때의 온도를 각각 측정하였다.
원래의 형상인 블레이드 1은 125°의 원주각을 가지고, 설계변경을 한 블레이드2는 145°의 원주각을 갖는다. 또한 임펠러 토출구 길이에도 3가지 설계 변경조건을 적용하였다. 원래의 설계 형상인 Case 2는 145 mm, 그리고 30mm를 늘인 Case 1, 30mm를 줄인 Case 3이 있다.
본 연구에서는 실제 블레이드 형상(원주각 125°)을 변경한 원주각(145°)과 토출구 면의 형상 변경을 통해 속도장, 압력장, 난류강도, 온도 변화를 수치해석하였다.
본 연구는 중형차 HVAC 시스템 임펠러 내의 블레이드의 원주각(125°, 145°)과 토출구 길이 (175mm, 145mm, 115mm)에 따른 온도, 압력, 속도, 난류강도를 수치적으로 해석하였고 유량 조절 히터 파워의 레벨 4에서의 임펠러 내의 주변 온도를 실험적으로 측정하였다.
대상 데이터
26을 사용하였다. 실제 중형차HVAC 시스템의 히터 파워 레벨중 가장 연료 소모량이 많아서 환경오염 물질이 가장 심한 히터 파워 레벨 4에서의 임펠러 주변 온도를 측정하기 위하여 적외선 열화상 카메라를 사용하였다. 또한 임펠러 내부에서 워밍업 전의 내기 및 외기가 투입되었을 때의 온도와 워밍업 후의 내기 및 외기가 투입되었을 때의 온도를 각각 측정하였다.
해석 조건은 비압축성 유동, 정상 유동, 연속 방정식, 운동량 보존방정식, 에너지 보존방정식, κ-ε 난류모델을 적용하였다. 블레이드의 회전 속도는 2000 및 3000 RPM, 시험 유체의 입력 압력은 200kPa, 블레이드수는 40개를 사용하였고 블레이드 형상은 두 가지를 적용하였다. 원래의 형상인 블레이드 1은 125°의 원주각을 가지고, 설계변경을 한 블레이드2는 145°의 원주각을 갖는다.
1은 임펠러의 메쉬를 나타내고 있으며, 내부에서 3개의 유체 공간면을 위한 3개의 면(블레이드면, 블레이드 안쪽 면, 블레이드 바깥쪽 면)로 나누었다. 총 격자수는 33,000개이며, Tri-pave 타입을 사용하였다.
이론/모형
실제 중형차의 임펠러 내의 열 및 유동장을 해석하기 위하여 비압축성 연속 방정식, Reynolds-averaged 운동량 방정식과 에너지 방정식, κ-ε 난류모델을 사용하였다.
해석 조건은 비압축성 유동, 정상 유동, 연속 방정식, 운동량 보존방정식, 에너지 보존방정식, κ-ε 난류모델을 적용하였다.
블레이드의 원주각을 원래 각도(120°)에서 20° 증가시킨 145°로 설계 변경을 하여 해석을 하였고, 임펠러 토출구 면의 길이 변화를 두어 수치해석하였다. 본 연구에서는 상용 해석 프로그램인 FLUENT 6.3.26을 사용하였다. 실제 중형차HVAC 시스템의 히터 파워 레벨중 가장 연료 소모량이 많아서 환경오염 물질이 가장 심한 히터 파워 레벨 4에서의 임펠러 주변 온도를 측정하기 위하여 적외선 열화상 카메라를 사용하였다.
본 연구는 메쉬 생성을 위해 Gambit 2.4.6을 사용하였고 Fig. 1은 임펠러의 메쉬를 나타내고 있으며, 내부에서 3개의 유체 공간면을 위한 3개의 면(블레이드면, 블레이드 안쪽 면, 블레이드 바깥쪽 면)로 나누었다. 총 격자수는 33,000개이며, Tri-pave 타입을 사용하였다.
성능/효과
이는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 유동의 흐름이 있다는 것을 알 수 있다. 또한 토출구 면이 가장 넓은 Outlet 3에서 일 때 블레이드 표면에서 가장 낮은 압력인 약 -140,000 Pa를 보여 주었다.
또한 워밍업 전보다 워밍업 후의 임펠러 내의 주변의 온도가 4°C ∼ 5°C 더 높았다.
(5) 워밍업 전보다 워밍업 후의 임펠러 내의 주변의 온도가 4°C ∼ 5°C 더 높았다.
(1) 블레이드의 원주각이 20° 증가함에 따라 5% 이내의 유량 감소를 보여 주었다.
(2) 블레이드 표면 속도분포가 상하 좌우 대칭 형태로 나타났으며 동일한 최고속도 약 23 m/s를 나타내었다.
(3) 토출구 면이 가장 넓은 Outlet 3에서 일 때 블레이드 표면에서 가장 낮은 압력인 약 -140,000 Pa를 보여 주었다.
(4) 하우징과의 거리가 가까운 왼쪽에 위치한 블레이드에서 가장 높은 압력이 나타났고, 토출구 면으로 갈수록 압력이 낮아졌다.
(6) 내기 순환만 한 경우 히터 파워 레벨이 올라갈수록 온도가 감소하였으나, 외기를 투입한 경우 온도가 올라가는 것을 볼 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
임펠러는 어떤 역할을 하는가?
HVAC 시스템이나 산업용 터보기계의 기계요소인 원심 펌프의 성능에 가장 핵심적이고 큰 비중을 차지하는 부품은 임펠러이다. 임펠러는 원심력을 이용한 회전에 의해 원심 펌프로 유입된 시험 유체의 에너지를 상승시키는 역할을 하며 성능을 위한 설계에 큰 영향을 끼친다.
CFD 기술로 인하여 무엇이 가능해졌는가?
이런 CFD 기술에 의한 3차원 열유동 해석을 활용하여 원심펌프 효율, 펌프 입력 동력, 유동 박리, 속도 및 압력분포 등의 유동현상을 파악하고 궁극적으로는 유체 기기의 성능의 향상을 위하여 설계 형상 및 파라메타의 변경이 가능하게 되었다. 또한 이런 설계 방법들은 부품의 개발 기간 단축 및 비용 절감이 발생하게 되어 관련 대형업체 및 부품업체들의 필수적인 개발 기술 요소가 되었다[4].
CFD 기술이 관련 대형업체 및 부품업체들의 필수적인 개발 기술 요소가 된 까닭은 무엇인가?
이런 CFD 기술에 의한 3차원 열유동 해석을 활용하여 원심펌프 효율, 펌프 입력 동력, 유동 박리, 속도 및 압력분포 등의 유동현상을 파악하고 궁극적으로는 유체 기기의 성능의 향상을 위하여 설계 형상 및 파라메타의 변경이 가능하게 되었다. 또한 이런 설계 방법들은 부품의 개발 기간 단축 및 비용 절감이 발생하게 되어 관련 대형업체 및 부품업체들의 필수적인 개발 기술 요소가 되었다[4]. 최근 국제사회의 환경기준 강화로 인해 세계 자동차 및 유체기기 산업의 방향이 환경오염 물질의 감소로 초점이 맞춰지고 있다.
참고문헌 (12)
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