MR 유체의 물리특성은 자기장에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 MR 유체의 자기장에 의한 유동변화를 실험적으로 조사하고자, MR 유체의 밀도와 점도를 변경하면서 자기장에 의한 유동 가시화와 전단응력 변화를 측정하였다. 이를 위해 밀도 3종, 점도 3종에 대한 MR 유체를 제조하였고 MR 유체 가시화 실험장치를 제작하였다. 자기장이 인가되면, MR 유체 파우더의 유동흐름은 띠를 형성하면서 자기장이 인가되지 않은 경우와는 다른 유동흐름을 보여주었다. 또한 전단응력은 인가전류와 밀도가 높을수록 더 크게 증가하였으며, 인가전류 2.0A에서 MR 유체의 밀도가 $1300kg/m^3$에서 $1700kg/m^3$ 로 변하면 전단응력은 33% 정도 증가하였다.
MR 유체의 물리특성은 자기장에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 MR 유체의 자기장에 의한 유동변화를 실험적으로 조사하고자, MR 유체의 밀도와 점도를 변경하면서 자기장에 의한 유동 가시화와 전단응력 변화를 측정하였다. 이를 위해 밀도 3종, 점도 3종에 대한 MR 유체를 제조하였고 MR 유체 가시화 실험장치를 제작하였다. 자기장이 인가되면, MR 유체 파우더의 유동흐름은 띠를 형성하면서 자기장이 인가되지 않은 경우와는 다른 유동흐름을 보여주었다. 또한 전단응력은 인가전류와 밀도가 높을수록 더 크게 증가하였으며, 인가전류 2.0A에서 MR 유체의 밀도가 $1300kg/m^3$에서 $1700kg/m^3$ 로 변하면 전단응력은 33% 정도 증가하였다.
Physical characteristics of a magneto-rheological(MR) fluid can be influenced by a magnetic field. In the present study, the behaviors of MR fluid are visualized and the shear stresses are measured under the magnetic field for density 1.3, 1.5 and 1.7 $g/cm^3$, and viscosity 100, 1000 and...
Physical characteristics of a magneto-rheological(MR) fluid can be influenced by a magnetic field. In the present study, the behaviors of MR fluid are visualized and the shear stresses are measured under the magnetic field for density 1.3, 1.5 and 1.7 $g/cm^3$, and viscosity 100, 1000 and 10000cp. When the magnetic field is applied, particles of MR fluid are arranged along lines of magnetic field. It is observed that the flow pattern of MR fluid under the magnetic field is different from that of MR fluid without the magnetic field. Shear stress of MR fluids under the magnetic field changes significantly. Shear stress by the magnetic field increases the shape of a quadratic equation. When the density changes from $1300kg/m^3$ to $1700kg/m^3$ at 2.0A, the shear stress increases about 33%.
Physical characteristics of a magneto-rheological(MR) fluid can be influenced by a magnetic field. In the present study, the behaviors of MR fluid are visualized and the shear stresses are measured under the magnetic field for density 1.3, 1.5 and 1.7 $g/cm^3$, and viscosity 100, 1000 and 10000cp. When the magnetic field is applied, particles of MR fluid are arranged along lines of magnetic field. It is observed that the flow pattern of MR fluid under the magnetic field is different from that of MR fluid without the magnetic field. Shear stress of MR fluids under the magnetic field changes significantly. Shear stress by the magnetic field increases the shape of a quadratic equation. When the density changes from $1300kg/m^3$ to $1700kg/m^3$ at 2.0A, the shear stress increases about 33%.
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문제 정의
본 연구에서는 MR 유체의 자기장에 의한 유동변화를 실험적으로 조사하고자 MR 유체의 밀도와 점도를 변경하면서 자기장 세기 변화에 따른 MR 유체의 유동을 가시화하였고 전단응력을 측정하였다. MR 유체의 자기유동 현상에 대한 본 연구결과는 MR 댐퍼의 최적설계를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
제안 방법
3은 가시화 채널 내부의 자기장 세기 측정위치(5점)와 각 점에서의 자기장 강도의 분포를 보여준다. 각 위치별로 자기장을 5회 측정하여 산술평균하였다. 자기장의 강도는 자기장이 형성되는 위치와 거리에 따라 변하며, 채널 내부 표면에서 자기장이 최대값을 나타내었다.
공압실린더는 최대 9 bar까지 압력을 가할 수 있으며, 카메라는 x6 배율의 렌즈를 사용하였다. 또한 채널부에 자기장을 인가하기 위해 전류발생장치를 이용하였다. Table 1은 가시화 실험조건을 보여준다.
이 침전현상을 상쇄시켜 유체상태를 동일 조건으로 회복시키기 위해 5분 동안 교반하였다. 온도는 MR 유체의 점도에 영향을 주므로 온도변화에 따른 실험이 필요하지만, 본 실험에서는 상온 25℃ 에서 MR 유체의 자기장에 의한 유동현상을 실험하였다.
MR 유체의 유동 가시화 실험결과로부터, 자기장에 의해 형성되는 MR 유체의 띠 구조는 MR 유체의 점도가 자기장의 인가 유무와 강도에 따라 일시적으로 변화할 수 있다는 것을 보여준다. 이를 정량적으로 평가하기 위하여 회전식 점도계로 밀도 1300, 1500, 1700kg/㎥, 점도 100cp의 3 종 MR 유체의 전단응력을 측정하였다. 점도계의 회전수는 40rpm, MR 유체의 온도는 25℃, 전류는 0.
자기장에 의한 MR 유체의 전자기 유동 현상을 이해하기 위하여, 평판 채널형 가시화장치를 제작하여 MR 유체 유동가시화 및 전단응력을 측정하여 다음의 결론을 얻었다.
대상 데이터
Fig. 1은 피스톤방식의 MR 댐퍼 구조로 MR 유체가 들어있는 실린더 본체, 자기장을 형성하는 코어부, 피스톤부로 구성되어 있다. 코어부에 자기장이 인가되면 오리피스를 흐르는 MR 유체에 전자기 현상이 발생하여 MR 유체의 점성력이 일시적으로 변한다.
MR 유체는 가시화 댐퍼 상부에 설치된 공압실린더에 의해 피스톤이 움직이면서 가시화 채널을 흐르게 설계되어 있다. 공압실린더는 최대 9 bar까지 압력을 가할 수 있으며, 카메라는 x6 배율의 렌즈를 사용하였다. 또한 채널부에 자기장을 인가하기 위해 전류발생장치를 이용하였다.
본 연구에 사용된 MR 유체는 밀도 3종(1300, 1500, 1700kg/㎥), 점도 3종(100, 1000, 10000cp)으로 총 9종을 제조하였다. MR 유체의 화학적 조성은 강자성 철 파우더, 계면활성제, 베이스 오일로 구성되어 있으며, 특성 강화제로 지방산 아미드계 침강방지제가 첨가되었다.
2는 MR 유체의 전자기 유동 현상을 관찰하기 위해 설계 제작된 MR 유체 가시화 실험장치와 개념도를 보여준다. 실험장치는 강화유리로 제작된 평판 채널, 공압실린더, CCD 카메라, 컴퓨터, 공기압축기, 적외선 조명, DC 전원공급장치 등으로 구성되어 있다. MR 유체는 가시화 댐퍼 상부에 설치된 공압실린더에 의해 피스톤이 움직이면서 가시화 채널을 흐르게 설계되어 있다.
성능/효과
(1) 자기장을 인가하면 MR 유체 파우더들은 유동의 수직방향인 자기장의 방향으로 배열하여 강한 띠 구조를 가졌다. 그리고 MR 유체에 발생한 띠 구조는 밀도변화에 따라 다르게 관찰되었다.
(3) 전단응력은 인가전류에 따라 2차 함수의 형태로 표현되며, 밀도가 높을수록 전단응력의 증가폭은 더 크게 나타났다. MR 유체가 높은 자기장에 노출되면 띠 형상의 유동구조를 가지며 파우더들의 결속력이 증가하여 MR 유체의 전단응력이 증가하는 것을 알 수 있다.
MR 유체의 유동 가시화 실험결과로부터, 자기장에 의해 형성되는 MR 유체의 띠 구조는 MR 유체의 점도가 자기장의 인가 유무와 강도에 따라 일시적으로 변화할 수 있다는 것을 보여준다. 이를 정량적으로 평가하기 위하여 회전식 점도계로 밀도 1300, 1500, 1700kg/㎥, 점도 100cp의 3 종 MR 유체의 전단응력을 측정하였다.
이는 MR 유체에 포함된 파우더의 수와 밀접한 관계가 있으며, 높은 전류인가 시 많은 자성 파우더들이 자기장에 더 강하게 반응하므로 전단응력에 영향을 크게 미치는 것으로 판단된다. 그 결과 MR 유체의 겉보기 점성이 일시적으로 증가하여 유동흐름을 방해하는 것을 알 수 있다.
점도계에 전류를 가하면 MR 유체의 전단응력은 2차 함수의 형태로 증가하였다. 그리고 밀도와 인가 전류가 높을수록 전단응력은 더 크게 증가한다는 것을 확인하였다. 인가전류가 0A에서 2A로 높아지면 전단응력은 밀도 1300kg/㎥인 경우 34배(0A에서 617Pa), 밀도 1500kg/㎥인 경우 27배(0A에서 878Pa), 밀도 1700kg/㎥인 경우 24배(0A에서 1,140Pa) 정도 그리고 2A에서 밀도가 1300kg/㎥에서 1700kg/㎥로 증가하면 전단응력은 약 33% 증가한다.
4T의 자기장에서는 파우더들은 더 밀집되고 넓은 폭의 띠 형상으로 변하였다. 이 결과는 자기장에 의해 생긴 띠 형상의 유동구조가 MR 유체의 유동흐름을 방해하여 MR 유체의 점성력을 증가시키는 역할을 한다는 것을 보여준다.
후속연구
본 연구에서는 MR 유체의 자기장에 의한 유동변화를 실험적으로 조사하고자 MR 유체의 밀도와 점도를 변경하면서 자기장 세기 변화에 따른 MR 유체의 유동을 가시화하였고 전단응력을 측정하였다. MR 유체의 자기유동 현상에 대한 본 연구결과는 MR 댐퍼의 최적설계를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
외부 자기장에서 MR 유체가 갖는 특징은?
그리고 MR 댐퍼의 정밀 운전 제어를 위해서는 자기장의 영향에 대한 MR 유체의 유체거동을 정확히 이해할 필요가 있다. MR 유체는 외부로부터 인가되는 자기장의 세기에 따라 그 결합력이 변화하여 그에 상응하는 감쇄 전단력을 발생시킨다. MR 유체는 낮은 전류로도 우수한 성능구현이 가능하며 응답 반응속도가 빠르고 운전소음이 낮아 기존 진동저감 분야 외에 정밀분야까지 적용이 가능한 유체이다.
MR 유체란 무엇인가?
MR 유체는 외부로부터 인가되는 자기장의 세기에 따라 그 결합력이 변화하여 그에 상응하는 감쇄 전단력을 발생시킨다. MR 유체는 낮은 전류로도 우수한 성능구현이 가능하며 응답 반응속도가 빠르고 운전소음이 낮아 기존 진동저감 분야 외에 정밀분야까지 적용이 가능한 유체이다.
참고문헌 (6)
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J. S. Kim, K. J. Lee, K. W. Lee, D. S. Back, Y. C. Kwon, Basic Study on Magneto-Rheological Flow Analysis of MR Fluid in Magnetic Field, Proceedings of the SAREK 2011 Summer Annual Conference, pp. 1239-1241, 2011
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