[논문]OpenFOAMⓇ을 이용한 공압출기 다이 내부 유동 모사 및 가시화에 관한 수치 연구

문준호; 김주현; 문상호; 김시조

doi:10.5407/jksv.2013.11.3.005

OpenFOAMⓇ을 이용한 공압출기 다이 내부 유동 모사 및 가시화에 관한 수치 연구
Numerical study of the flow smulation and visualization in the co-extrusion die using OpenFOAMⓇ 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.11 no.3, 2013년, pp.5 - 11

문준호 (안동대학교 대학원 기계설계공학과) , 김주현 (안동대학교 기계설계공학과) , 문상호 (안동대학교 대학원 기계설계공학과) , 김시조 (안동대학교 대학원 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

It is of great importance to obtain the uniform layer thickness in the multi-layer co-extrusion processes. In the present study, the three-dimensional numerical simulation was carried out using the open source code named OpenFOAM(R) to understand the flow characteristics in the multi-layer die. In this numerical study, Multi-thin-layers were successfully computed depending on the number of repeating units. The generation mechanism for the multi-layer was numerically verified by the flow simulation and visualization in the co-extrusion die using OpenFOAM(R). The results suggested that the multi-layer has a divided and folded mechanism similar to the stretching and folding in the chaotic flow.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 다층 공압출 시스템에서 가장 중요한 다이의 특성인 다층을 생성하는 원리와 제품의 품질을 좌우하는 내부의 속도 분포를 알아보기 위해서 OpenFOAMⓇ을 통해 해석을 실시하였으며 Paraview를 통해 후 처리를 실시하였다.
본 연구에서는 다층 공압출기에 가장 핵심 부분인 다층(multi-layer) 다이 내부 유동을 해석하여 다층이 생성되는 원리와 유체의 흐름이 분기 될 때 질량 유량(mass flow rate)이 얼마나 분배가 되는지 대해서 분석하고자 한다. 이러한 원리에 대해 알아보기 위해 전산 유동 해석을 통해 얻은 유선 등을 이용하여 다층이 어떻게 형성 되는지 관찰 하였으며 유체의 흐름이 분리 되는 부분에 면을 만들어서 각각의 유량이 얼마큼 분리 되는지 측정하였다.

제안 방법

공압출 다이의 질량 유량이 다층 구간을 지나면서 질량 유량이 어떻게 분배가 되는지 측정하기 위해서 5구간으로 나누어 질량 유량을 측정하였을 때 1구간에서 질량 유량이 100%로 들어와 2구간에서 왼쪽과 오른쪽, 3구간에서 왼쪽아래 와 오른쪽 위, 4구간에서 왼쪽 위와 오른쪽 아래로 각각 49% 정도로 분배된다. 2~ 4구간에서 나누어졌던 질량 유량이 5구간에서 100%가 되는 것을 측정하였다. 2~4구간에서 약 2%의 오차가 발생하였다.
공압출기 형상의 Fig. 5와 같이 Gambit 소프트웨어를 통해 매트로 파일로 프로그램하고 이 프로그램에서 격자 수를 조밀하게 조정할 수 있도록 하였다. 모든 부분을 정렬 격자 육면체 요소로 만들었으며 노드 개수는 109,079개 요소 개수는 96,416개로 이뤄져 있다.
이렇게 제품의 품질을 향상시키기 위해서는 우선 다이 내부의 속도 분포를 파악해야 한다. 다이의 내부 속도 분포를 알아보기 위해서 다이의 각각의 부분에 단면을 만들어서 단면에서의 길이 방향 속도장 프로파일을 만들어서 속도 분포를 가시화 하였다.
이러한 다층 공압출 다이의 내부 유동 특성에 대한 연구는 컴퓨터의 성능의 향상과 더불어 수치해석을 통한 연구가 본격화 되었다. 다층 공압출 다이의 수치적 연구 사례를 살펴보면 해외에서는 공압출기 다이의 내부 특성을 알아보기 위해 수치해석을 통해 내부의 유동과 다층 사이의 두께에 관한 실험과 수치해석 연구를 하였으며 다층 공압출 다이 압출 성형을 통한 다층에서의 유변학적 성질을 측정하였다. ^(12-13)
다층 구간을 거치면서 4개의 층이 16개 층으로 늘어나게 되는데 어떤 원리로 층이 나눠지는지를 살펴보기 위해 다층 구간을 Fig. 10의 위치에서 관찰하였다.
이러한 원리에 대해 알아보기 위해 전산 유동 해석을 통해 얻은 유선 등을 이용하여 다층이 어떻게 형성 되는지 관찰 하였으며 유체의 흐름이 분리 되는 부분에 면을 만들어서 각각의 유량이 얼마큼 분리 되는지 측정하였다. 또한 제품의 품질에 큰 영향을 미치는 속도장을 통해 다이 구간 별 내부 속도 분포를 가시화 하였다. 이러한 가시화는 후속연구에서 균일한 속도 분포를 가지기 위한 최적 다이 설계에 기초 연구 자료로 제공될 수 있다.
본 논문에서의 OpenFOAMⓇ에서 비압축성 유체 해석 솔버인 icoFoam을 이용하여 0초에서 2초까지 time step을 0.005초로 설정하여 unsteady 해석을 실시하였다.
본 연구에서는 다층 공압출기에 가장 핵심 부분인 다층(multi-layer) 다이 내부 유동을 해석하여 다층이 생성되는 원리와 유체의 흐름이 분기 될 때 질량 유량(mass flow rate)이 얼마나 분배가 되는지 대해서 분석하고자 한다. 이러한 원리에 대해 알아보기 위해 전산 유동 해석을 통해 얻은 유선 등을 이용하여 다층이 어떻게 형성 되는지 관찰 하였으며 유체의 흐름이 분리 되는 부분에 면을 만들어서 각각의 유량이 얼마큼 분리 되는지 측정하였다. 또한 제품의 품질에 큰 영향을 미치는 속도장을 통해 다이 구간 별 내부 속도 분포를 가시화 하였다.

대상 데이터

본 논문에 사용된 작용 유체의 물성치는 동점도 1e-6(m²/s)이며 밀도는 1000(kg/m³)이다.
본 연구에 사용된 유체는 비압축성 뉴톤 유체이며 지배 방정식은 다음과 같다.
해석에 사용된 공압출기는 Fig. 3와 같이 멀티플리케이션 다이 어셈블리 구간에 속하는 입구(inlet), 연결부(connector), 다층(multi-layer)과 다이 어뎁터(die adapter), 쉬트 다이(sheet die)로 이루어져 있다.

성능/효과

다이의 내부 속도장 분포를 파악하기 위해서 각각의 부분에서 단면을 생성하여 속도장 프로파일을 관찰한 결과 단층에서 다층으로 변하는 다층 구간에서는 속도가 불안정했다. 그 후 여러 층의 유체가 합쳐지는 다이 어뎁터 구간에서 점차 안정적으로 변하는 것을 관찰 할 수 있었다.
다층 구간이 처음에 1구간에서 100%의 질량 유량이 들어와 2구간에서 왼쪽과 오른쪽으로 나누어지게 되는데 여기서 왼쪽과 오른쪽이 약 49.5%로 비슷하게 분배가 되었으며 3구간은 왼쪽 위로 오른쪽 아래로 나누어지면서 각각 약 49% 정도 분배가 되는 것을 확인 하였다. 4구간에서는 왼쪽 아래 오른쪽 위로 3구간과 반대로 나눠지게 되는데 다른 곳과 달리 왼쪽 아래는 50%, 오른쪽 위는 약 49%로 약간의 차이를 보였다.
또한 해석 된 결과를 바탕으로 다층이 생성되는 원리를 알아보기 위해 공압출기 내부에 형성된 유동장으로 부터 계산된 유선을 가시화한 결과 다층 구간에서 단층의 유체가 지그재그로 갈라지고 또 한 번 지그재그로 갈라지면서 다층으로 형성 되는 것을 알 수 있었다.
본 수치 연구를 통하여 최종적으로는 다이 내부의 유동 특성을 파악하여 다이 출구에서 균일한 두께의 다층 압출 필름 생산이 가능하도록 전산설계가 가능하게 되었다.
압출 공정은 산업 현장에서 폴리머를 일정한 두께를 가지는 플라스틱 필름이나 시트 등을 생산하는데 사용이 된다. 압출 공정 관련 연구로 본 연구자에 의하여 단축압출기 내에서의 변형정도를 예측하는 척도로써 변형특성 즉 DC(deformation characteristics)를 정의하고 이로부터 기존의 단축압출기 내에서의 DC의 증가, 즉 혼합 정도의 증가는 시간 또는 압출기의 길이에 대하여 선형적임을 밝혀내었다.^(1-4)

후속연구

(19-21) 이를 기초로 본 연구자들은 다이 내부를 통해 최종적으로 제품이 나오면서 점탄성 유체의 유변학적 성질에 의해 생기는 다이 스웰 현상과 여러 층의 유체가 합쳐질 때 생기는 경계 면의 변화와 정적, 동적 접촉각에 대해 물리적 현상을 이해하는 것이 매우 중요하며 본 연구를 바탕으로 향후 계속적으로 연구 할 것이다.
또한 제품의 품질에 큰 영향을 미치는 속도장을 통해 다이 구간 별 내부 속도 분포를 가시화 하였다. 이러한 가시화는 후속연구에서 균일한 속도 분포를 가지기 위한 최적 다이 설계에 기초 연구 자료로 제공될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압출 공정은 언제 사용되는가?	압출 공정은 산업 현장에서 폴리머를 일정한 두께를 가지는 플라스틱 필름이나 시트 등을 생산하는데 사용이 된다. 압출 공정 관련 연구로 본 연구자에 의하여 단축압출기 내에서의 변형정도를 예측하는 척도로써 변형특성 즉 DC(deformation characteristics)를 정의하고 이로부터 기존의 단축압출기 내에서의 DC의 증가, 즉 혼합 정도의 증가는 시간 또는 압출기의 길이에 대하여 선형적임을 밝혀내었다.
	압출기의 제품이 생산되기까지의 과정은?	일반적으로 압출기는 제품이 생산되기까지 고체 폴리머를 압출방향으로 이동시키는 이송영역(feeding zone), 폴리머의 압축과 용융이 일어나는 압축영역(compressing zone), 완전히 녹은 고분자 유체가 압출되도록 계량하는 계량영역(metering zone)을 거쳐야 한다.
	단층으로 이뤄진 제품의 한계를 극복하기 위해 만든 다층으로 이뤄진 제품의 장점은?	이러한 한계를 극복하기 위해 일반적인 단층 압출 제품보다 공압출기를 사용하여 특수한 경우에 사용되는 다층으로 이뤄진 제품이 활발하게 만들어지고 있다. 공압출로 만들어낸 다층의 제품은 본래 가지고 있는 각각의 층의 기능 외에도 부가적인 성능을 만들어 내 고성능 제품을 얻을 수 있는 것이 최대 장점이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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