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 연구에서는 FFU의 가이드 베인의 형상 변화에 따른 유동해석을 통해 속도 균일도 및 유량 변화를 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 설계변수에 따른 해석에 앞서 수치해석으로 예측한 FFU의 발생유량 및 속도 균일도의 정확도를 검증하기 위하여 기존 형상에 대하여 기준 실험을 수행하였다. 실험 장치는 Fig.
가설 설정
- 3). 연구목표가 속도 균일도 개선과 유속 저감의 최소화이기 때문에 필터가 없는 조건에서 속도 균일도를 최대화 한다면, 필터를 설치해도 높은 균일도를 얻을 수 있을 것으로 가정하여 필터 부분은 해석과정에서 생략하여 보다 경제적인 해석이 되도록 하였다.
제안 방법
- 각도는 기존 각도에 대하여 20°, 10° 감소한 경우 및 10° 증가한 경우에 대하여 각각 계산을 수행하였다.
- 팬은 회전부이기 때문에 이동격자(moving mesh)를 사용하였다. 경계조건으로 팬의 상부에 위치한 공기가 흡입되는 부분은 압력 입구조건을 주었으며, 하우징 하부의 출구면은 유동 박리영역 및 실제 실험 시 측정되는 위치를 고려하여 압력 출구조건을 적용하였다. 회전부와 고정부가 만나는 면은 인터페이스(interface) 조건을 설정하였다.
- 계산영역은 FFU를 회전부인 팬과 고정부인 하우징(housing)으로 나누어 모델링하였다(Fig. 3). 연구목표가 속도 균일도 개선과 유속 저감의 최소화이기 때문에 필터가 없는 조건에서 속도 균일도를 최대화 한다면, 필터를 설치해도 높은 균일도를 얻을 수 있을 것으로 가정하여 필터 부분은 해석과정에서 생략하여 보다 경제적인 해석이 되도록 하였다.
- 전반적인 수치해석에는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 이용하였고, 난류 모델로는 표준 k-ε모형을 사용하였다. 계산조건은 외측 가이드 베인의 경우 가이드 베인의 형상이 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 가이드 베인의 길이와 각도를 변화시키며 수치해석을 수행하였다. 길이는 기존 제품의 형상을 기준으로 40 mm를 증가 및 감소시킨 형상에 대하여 해석하였다.
- 계산조건은 외측 가이드 베인의 경우 가이드 베인의 형상이 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 가이드 베인의 길이와 각도를 변화시키며 수치해석을 수행하였다. 길이는 기존 제품의 형상을 기준으로 40 mm를 증가 및 감소시킨 형상에 대하여 해석하였다. 각도는 기존 각도에 대하여 20°, 10° 감소한 경우 및 10° 증가한 경우에 대하여 각각 계산을 수행하였다.
- 본 연구에서는 먼저 FFU에서 기존 형태의 가이드 베인이 설치되어 있는 경우에 대하여 수치 해석을 수행하고 실험결과와 비교하여 FFU 해석에 가장 적합한 CFD 기법을 도출하였다. 최적의 가이드 베인 형상을 도출하고자 Fig.
- 본 연구의 수치해석을 수행하기에 앞서 수치해석 기법 및 격자계의 적절성을 검증하기 위해 기존 형상에 대하여 표준 조건에서 실험을 수행하고 수치 해석한 결과를 비교하였다. Table.
- 2(b))를 FFU 출구에서 30 cm 하류 위치에 설치하였다. 설치위치에서 측정 면을 동일 면적의 36개 구역으로 구분하여 속도분포를 측정하였다.
- 외측가이드 베인을 20° 감소시켰을 경우(θs =43.4°)로 고정하고 중앙 가이드 베인을 161°, 151°로 변화시키면서 수치해석을 수행하였다.
- 중앙 가이드 베인의 각도는 기존 각도(171°)에서 10° 간격씩 줄이는 방향으로 수정하였다.
- 중앙 가이드 베인의 경우는 외측 가이드 베인을 130.3 mm, 43.4°으로 고정시킨 후 중앙 가이드 베인을 기존 길이에 대하여 40 mm, 80 mm 증가시킨 경우와 기존 각도에 대하여 20°, 10° 감소시킨 경우에 대하여 계산을 수행하였다.
- 우리나라 국가 경제에 큰 영향을 주고 있는 LCD(Liquid Crystal Display), FPD(Flat Panel Display) 등의 제조공정은 청정실(clean room)에서 이루어진다. 청정 환경을 유지하는 방법으로는 청정 터널(clean tunnel module), 축류팬(axial fan), 국소환경(mini-environment) 시스템 등이 있는데(1) 본 연구에서는 팬 필터 유닛(fan filter unit, 이하 FFU로 칭함)에 관련한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 먼저 FFU에서 기존 형태의 가이드 베인이 설치되어 있는 경우에 대하여 수치 해석을 수행하고 실험결과와 비교하여 FFU 해석에 가장 적합한 CFD 기법을 도출하였다. 최적의 가이드 베인 형상을 도출하고자 Fig. 1(b)와 같이 중앙 가이드 베인과 외측 가이드 베인의 길이와 각도를 변수로 설정하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과로부터 각각의 변수가 FFU의 출구면에서 속도분포 균일성 및 유량 저감에 미치는 영향을 고찰하였고 속도 균일도를 최대한 확보하면서 유량 저감을 최소화 할 수 있는 형상을 도출하였다.
대상 데이터
- 격자는 팬(fan)에는 약 1만개의 육면체 격자를 사용하였고(Fig. 3(a)), 하우징에는 약 120만개의 사면체와 육면체 격자를 사용하였다(Fig.
이론/모형
- 전반적인 수치해석에는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 이용하였고, 난류 모델로는 표준 k-ε모형을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 가이드 베인 개선에 대한 수치해석을 수행하기에 앞서 수치해석에 대한 신뢰성 확보를 위한 검증작업으로 동일 조건에서의 실험 결과와 수치해석 결과를 비교하여 수치해석의 타당성을 확인할 수 있었다.
- (2) 외측 가이드 베인의 각도는 가장 작은 각도에서 유량 손실은 크지만, 속도 균일도가 가장 우수하였다. 따라서 평가지표를 속도 균일도에 맞출 경우 외측 가이드 베인의 각도를 줄이는 것이 유리함을 확인하였다.
- (3) 외측 가이드 베인의 길이의 경우, 일정 길이 이후에는 균일도에 영향을 끼치지 않았고, 유량 저감 측면에서는 길이가 작을수록 유량 손실이 작음을 확인하였다.
- (4) 중앙 가이드 베인의 각도는 속도 균일도에 대한 최적점이 존재하였다. 기존 각도에서 10°를 감소시켰을 경우(161°), 속도 편차가 모든 길이에 대하여 가장 작았다.
- (5) 중앙 가이드 베인의 길이가 일정 길이 이상으로 길어지면 각도가 속도 손실에 영향을 주지 않는 경향을 보였다.
- (a)), Fig. 5에 제시한 속도분포에서 예상할 수 있듯이 가이드 베인 각도가 43.4°일 때 가장 작고 각도가 증가할수록 속도 균일도가 떨어져 표준편차가 증가하는 경향을 보인다.
- 속도 균일도의 경우(Fig. 7(a)), 기존 설계(130.3 mm)의 경우와 170.3 mm일 때 속도의 표준편차에 거의 변화가 없는 것을 볼 수 있다. 속도 균일도는 길이가 증가함에 따라서 향상되지만, 일정 길이 이후에는 일정하게 수렴하는 경향을 보였다.
- 중앙 가이드 베인의 길이를 변화 시켰을 경우(Fig. 8(b)), 각도를 변화 시켰을 경우와 마찬가지로 속도분포 상에서 큰 변화를 보이지 않았지만, 기존 길이(135 mm)를 기준으로 비교하여 보았을 때, 80 mm를 늘려 주었을 경우(lc =215 mm) 속도분포가 가장 균일하였다.
- (b)), 각도를 수정하지 않은 171° 상태에서 각 길이에 대한 유량을 비교하였을 경우, 40 mm 증가시킨 175 mm에서 유량이 가장 큰 것으로 나타났다.
- Table. 1에 정리한 바와 같이 실험결과와 수치해석 결과가 유량은 약 5%, 속도의 표준편차는 약 20%의 차이를 나타냈다. 표준편차의 경우 다소 차이를 보이지만 측정지점의 위치, 측정지점 수, 센서의 민감도 등을 고려하여 볼 때 전반적으로 일치하는 결과를 보여주고 있다.
- 각각의 평가지표에 대하여 상반된 결과를 보이고 있지만, 본 연구에서는 속도 균일도 확보 후 유량 저감을 최소화하는 것을 목표로 하므로 43.4°의 경우가 가장 적합하다고 볼 수 있다.
- 각도를 수정하지 않은 171° 상태에서 길이를 증가시킬 경우 40 mm까지는 균일도가 향상되지만 80 mm까지 증가시키면 효과가 없는 것으로 나타났다.
- 따라서 평가지표를 속도 균일도에 맞출 경우 161°가 가장 적합함을 볼 수 있으며, 이 경우 속도 손실 또한 0.7% 감소에 불과하므로 최적의 개선안으로 볼 수 있다.
- (2) 외측 가이드 베인의 각도는 가장 작은 각도에서 유량 손실은 크지만, 속도 균일도가 가장 우수하였다. 따라서 평가지표를 속도 균일도에 맞출 경우 외측 가이드 베인의 각도를 줄이는 것이 유리함을 확인하였다.
- 5에 제시하였다. 본 연구에서 고려한 외측 가이드 베인의 모든 각도 범위 및 길이에 대하여 전체적인 유속분포는 외곽 쪽으로 기류가 몰리고 상대적으로 중심부에는 풍속이 낮게 나오는 분포를 보인다. 각도의 영향을 보면(Fig.
- 3 mm일 때 속도의 표준편차에 거의 변화가 없는 것을 볼 수 있다. 속도 균일도는 길이가 증가함에 따라서 향상되지만, 일정 길이 이후에는 일정하게 수렴하는 경향을 보였다. 외측 가이드 베인의 길이가 증가하면 유동 균일도는 향상되지만 유량이 감소한다(Fig.
- 1(b)와 같이 중앙 가이드 베인과 외측 가이드 베인의 길이와 각도를 변수로 설정하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과로부터 각각의 변수가 FFU의 출구면에서 속도분포 균일성 및 유량 저감에 미치는 영향을 고찰하였고 속도 균일도를 최대한 확보하면서 유량 저감을 최소화 할 수 있는 형상을 도출하였다.
- 중앙 가이드 베인의 각도 변화에 따른 속도 균일도 및 유량을 비교하여 보았을 때, 모든 길이에서 161° 상태가 속도 균일도 측면에서 유리한 것으로 나타났다(Fig.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.