[논문]완전접촉 경계면 위의 박막유동 특성을 이용한 고점도 전단유동에 따른 표면응력 감소 설계

박부성; 김보흥

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.12.1027

완전접촉 경계면 위의 박막유동 특성을 이용한 고점도 전단유동에 따른 표면응력 감소 설계
Design of Reduced Shear Stress with High-Viscosity Flow Using Characteristics of Thin Film Flow on Solid Surfaces 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.12 = no.351, 2014년, pp.1027 - 1034

초록
AI-Helper

회전원판 위 표면에 작용하는 유동 전단응력은 표면마모를 발생시키는 주원인이다. 유체는 원심력에 의해 가장자리까지 자유표면을 갖는 박막유동으로 전달된다. 표면마모는 받음각 또는 곡률에 따른 전단응력 정도에 비례하여 차이를 보이게 된다. 전산해석을 통한 속도분포 기울기로 받음각에 기준한 곡률의 전단응력비를 비교하였다. 곡률반경 변화에 따른 전단유동의 응력감소를 모델링하여 표면마모를 효율적으로 줄일 수 있는 최적구간을 결정하는 것이 본 연구의 주제이며, 이 연구결과는 회전무화나 박막코팅과 같은 박막유동을 활용하는 기구의 최적설계에 적용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The shear stress on a surface due to the thin film fluid flow is an important issue. In case of a rotating disk, the fluid is delivered to the edge of the disk by centrifugal force, which acts as a body force on the fluid. Wear of a surface is affected by the shear stress acting on the surface and curvature. In this study, we utilize computational fluid dynamics software to model the ratio of curvature and local shear stress on solid surfaces. The key goal of the study is to determine an optimized curvature for the thin film fluid flow on a solid surface in order to minimize the local shear stress affecting the wear of this surface. Our results on the effects of curvature will be utilized for the design of devices that utilize thin film fluid flow on a solid surface, such as rotating-disk spray systems and thin film coating.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

^(21~22) 기존 연구^(14~17)에서는 관내부의 곡률에 따른 응력관계, 액막의 광학촬영으로 임의 영역의 응력을 측정하는 연구가 되었지만, 이번 연구에서는 전산유체해석 프로그램인 FLUENT를 사용하여 곡률 및 임의영역에 따른 응력을 해석하여 비교하였다. 박막유동 특성을 이용한 곡률에 따른 전단응력비를 통해 표면마모를 효율적으로 줄일 수 있는 최적설계를 하여 산업에서 박막유동을 활용하는 분야에 적용이 유용하도록 하는 최적화 설계를 위한 방법을 제시하였다.
박막을 형성하는 회전원판 위 유동이 표면형상에 따라 전단응력을 발생시키는 관계를 파악하고 응력을 줄이기 위한 최적설계를 수행했다.
본 연구는 평면 위를 흐르는 액체로부터 전달방향을 바꿔주는 매개체에 대한 전단응력을 줄여 마모를 개선시키기 위한 연구이다. 매개체는 직선의 받음각 또는 곡률의 표면으로 형성되고 응력을 줄이기 위한 최적형상을 전단응력비로 비교하여 효율적인 개선효과를 위한 최적설계가 될 수 있도록 모델링 한다.

제안 방법

매개체는 직선의 받음각 또는 곡률의 표면으로 형성되고 응력을 줄이기 위한 최적형상을 전단응력비로 비교하여 효율적인 개선효과를 위한 최적설계가 될 수 있도록 모델링 한다.^(21~22) 기존 연구^(14~17)에서는 관내부의 곡률에 따른 응력관계, 액막의 광학촬영으로 임의 영역의 응력을 측정하는 연구가 되었지만, 이번 연구에서는 전산유체해석 프로그램인 FLUENT를 사용하여 곡률 및 임의영역에 따른 응력을 해석하여 비교하였다. 박막유동 특성을 이용한 곡률에 따른 전단응력비를 통해 표면마모를 효율적으로 줄일 수 있는 최적설계를 하여 산업에서 박막유동을 활용하는 분야에 적용이 유용하도록 하는 최적화 설계를 위한 방법을 제시하였다.
Curve 영역길이가 4mm 이므로 R < 4mm은 형상적으로 만족하지 않기 때문에 R ≥ 6mm 에서 비교했다.
가장자리 곡선(curve)영역에서 응력감소를 위해 곡률을 적용하고 기존 θc표면에 대한 τ 를 비교한다.
곡률 적용으로 θt,edge가 기존 θc 표면과 달라지는 것은 토출 패턴이 바뀜으로써 다른 영향을 미칠 수 있어 이를 방지하기 위해 θt,edge가 일치되는 최적 R 구간의 최소값 Rmin = 8.5mm 을 설정했다.
99 이상이 되는 범위를 최적구간의 기준으로 지정하여 R 간격에서 7~11 되는 구간이 기준에 마지막으로 근접하였다. 따라서 최대효율을 나타내는 최적 R 구간을 6~11mm 로 선정하고 최대 최적곡률 값 Rmax 를 11mm 로 설정하였다. R_max를 기준으로 전후 구간의 동일한 R 증가량에 따른 τ_ratio,decre.
본 연구는 평면 위를 흐르는 액체로부터 전달방향을 바꿔주는 매개체에 대한 전단응력을 줄여 마모를 개선시키기 위한 연구이다. 매개체는 직선의 받음각 또는 곡률의 표면으로 형성되고 응력을 줄이기 위한 최적형상을 전단응력비로 비교하여 효율적인 개선효과를 위한 최적설계가 될 수 있도록 모델링 한다.^(21~22) 기존 연구^(14~17)에서는 관내부의 곡률에 따른 응력관계, 액막의 광학촬영으로 임의 영역의 응력을 측정하는 연구가 되었지만, 이번 연구에서는 전산유체해석 프로그램인 FLUENT를 사용하여 곡률 및 임의영역에 따른 응력을 해석하여 비교하였다.
본 연구에서 받음각보다는 곡률을 형성하는 것이 표면 응력을 줄이는데 효과적인 것을 보았고, 곡률반경에 따라서는 큰 차이를 나타내지 않으므로 기존과 같은 토출 패턴을 유지하여 이를 이용한 산업적 활용이 용이한 방향으로 최적설계를 하도록 제안하였다.
본 연구에서는 직선 받음각 표 면 θc = 28° 에 한해서 응력감소의 최적화를 하였다.
해석모델은 자유표면을 만들어주기 위해 VOF(Volume of fluid)법을 하였고 박막유동의 경우 Reynold 수의 characteristic length 크기가 아주 작으므로 낮은 Reynold 수로 인해 Laminar flow 이다. 상단 및 출구 경계면은 대기압 상태의 pressure outlet=0Pa 로 설정하고, 고체표면 경계는 회전 중심 축을 기준으로 회전 조건(60000rad/min) 및 No-slip 조건을 설정하였으며, 입구는 inlet velocity 3m/s 으로 설정했다. 고체표면에 근접한 mesh는 표면길이의 1/100 배 내에서 inflation layer 를 10 으로 주어 벽 근처 유속분포 및 박막유동 해석 정도를 높였다.
전산해석을 이용한 U / h 분포로 기존 θc = 28° 표면에 대한 응력을 비교했다.
5mm 이고, 이 값은 τ_ratio감소의 최대효과를 내는 R 구간에 속하였다. 토출 패턴을 고려한 R 값을 최적 R 구간의 최소 곡률값 R_min으로 설정하여 최대, 최소 R 사이의 최 적설계에 의한 곡률을 선정한다. 최적 R 구간에서 τ 감소로 인한 마모 저감효과 또는 피도물의 도포 민감성으로 인한 토출 패턴의 일치 중 중요한 요인에 따라 R 을 선정한다.
해석모델은 자유 및 No-slip 경계를 포함하고, 회전관성이 충분히 적용되어 층류유동으로 정상화된 자유표면 유동으로 두며, 회전 중심 축에 축 대칭 된 x-y 좌표면으로 두었다.

데이터처리

속도분포를 도출하기 위한 전산유체 해석프로그램으로 ANSYS FLUENT 14.5를 사용하였다. 유동은 표면의 반경방향으로 전달되기 때문에 회전 중심 축에 대한 축 대칭 유동인 x-y 평면의 2차원으로 단순화하여 계산시간을 줄였다.

이론/모형

Curve 영역의 응력해석을 위해 표면 위 유동 지배방정식으로 운동방정식과 Navier-Stokes 방정식을 두었다. 자유도에 따라 소거할 수 있는 성분들을 생략하면 가속도항으로부터 x 성분의 가속도 a 즉, 표면 경계상에 평행한 가속도를 표현한 식(1)이 되어 회전력에 의해 발생된 표면에 평행한 가속도가 유동 모멘텀으로 작용하게 된다.
완전발달유동이 되기 위해 계산영역은 평면과 곡면을 모두 시행했다. 해석모델은 자유표면을 만들어주기 위해 VOF(Volume of fluid)법을 하였고 박막유동의 경우 Reynold 수의 characteristic length 크기가 아주 작으므로 낮은 Reynold 수로 인해 Laminar flow 이다. 상단 및 출구 경계면은 대기압 상태의 pressure outlet=0Pa 로 설정하고, 고체표면 경계는 회전 중심 축을 기준으로 회전 조건(60000rad/min) 및 No-slip 조건을 설정하였으며, 입구는 inlet velocity 3m/s 으로 설정했다.

성능/효과

θc가 다양한 경우 θt,edge이 변경되어 최적구간이 바뀌면서 최적 R 도 변경되지만, 본 연구에 언급된 바와 같은 최적화 접근방식에 의해 최종 설계값을 선정하는 방법은 다양한 직선표면 형상에서도 충분히 적용 가능한 방법으로 생각된다.
따라서 기존 θc 표면으로부터 곡률이 적용됨으로써 τ 감소에 확연한 효과를 보이지만 최적 R 구간에서는 효과가 미미하므로 토출 패턴 유지에 가중치를 둔 R 을 선정하는 것이 좋다고 보았다.

후속연구

본 연구대상이 도포 민감성이 높은 피도물에 사용될 경우 토출 패턴이 중요한 요소로 고려될 수 있어 기존의 토출 패턴을 유지하는 방법으로 최적설계에 적용되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자유표면 유동이란 무엇인가	자유표면 유동은 바다나 강 혹은 벽을 타고 흐르는 물줄기 등 생활에서 어렵지 않게 접할 수 있는 현상으로 표면 위에 벽과 같은 제약조건 없이 흐르는 유동을 자유표면 유동이라 한다. 자유표면 유동 중 µm 단위의 얇은 유동을 박막유동이라 하며, 이러한 유동은 열 및 물질전달 효율을 높여주어 강판의 냉각공정, 열교환기, 정밀화학이나 의약품 제조 등 산업분야에 용이하게 활용된다.
	박막유동은 어디에 사용되는가	자유표면 유동은 바다나 강 혹은 벽을 타고 흐르는 물줄기 등 생활에서 어렵지 않게 접할 수 있는 현상으로 표면 위에 벽과 같은 제약조건 없이 흐르는 유동을 자유표면 유동이라 한다. 자유표면 유동 중 µm 단위의 얇은 유동을 박막유동이라 하며, 이러한 유동은 열 및 물질전달 효율을 높여주어 강판의 냉각공정, 열교환기, 정밀화학이나 의약품 제조 등 산업분야에 용이하게 활용된다. 활용도가 높아짐에 따라 다양한 유동현상의 해석이 요구되어 격자방법의 Eulerian, 입자추적방법의 Lagrangian 그리고 두 방법을 혼합한 Arbitrary Lagrangian Eulerian 등 자유표면 유동의 수치해석 기법이 제안되었고 컴퓨터 성능 발전에 힘입어 정확한 예측을 위한 연구가 수행되고 있다.
	박막유동의 활용도가 높아짐에 따라 어떠한 수치해석 기법이 제안되었는가	자유표면 유동 중 µm 단위의 얇은 유동을 박막유동이라 하며, 이러한 유동은 열 및 물질전달 효율을 높여주어 강판의 냉각공정, 열교환기, 정밀화학이나 의약품 제조 등 산업분야에 용이하게 활용된다. 활용도가 높아짐에 따라 다양한 유동현상의 해석이 요구되어 격자방법의 Eulerian, 입자추적방법의 Lagrangian 그리고 두 방법을 혼합한 Arbitrary Lagrangian Eulerian 등 자유표면 유동의 수치해석 기법이 제안되었고 컴퓨터 성능 발전에 힘입어 정확한 예측을 위한 연구가 수행되고 있다. (1~4)

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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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