[논문]탄소복합재 브레이크 디스크의 통풍구 형상에 따른 유동특성에 관한 해석적 연구

고동국; 윤석주

doi:10.7467/ksae.2015.23.2.191

[국내논문] 탄소복합재 브레이크 디스크의 통풍구 형상에 따른 유동특성에 관한 해석적 연구
Numerical Study on the Flow Characteristics according to the Ventilation Holes Shape of the Carbon Composite Brake Disk 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.23 no.2, 2015년, pp.191 - 198

고동국 (전북대학교 대학원 기계공학과) , 윤석주 (전북대학교 기계공학과)

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In this study, the flow characteristics at the ventilation holes was analyzed by using numerical method when carbon composite brake disk was rotated at a constant speed. In order to ensure the validity of the analysis results, grid dependency test was performed by considering the accuracy and appropriateness, and 4mm mesh size was selected for decrease of the maximum error rate 63.6%. As a result, the outside air flows in the clearance between the disk and shaft in case of B model. whereas, the outside air flows in the clearance or the outlet of the ventilation holes in case of A and C models. And also average static pressure at the outlet was changed depending on shape of the ventilation holes and rotational speed of the disk in case of A and C models. Besides, in the B model, intake air according to the clearance goes with side surface of ventilation hole, and so increased by mean velocity of 4.64m/s and mean pressure of 0.58pa in the ventilation hole outlet, in case of disk rotational speed of 146.21rad/s.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 상용화된 탄소복합재 브레이크 디스크의 통풍구 형상을 선택하고 해석적 방법을 통해 디스크가 회전할 경우 통풍구 주위의 유동흐름과 구조를 정확하게 파악하여 추후 탄소복합재의 디스크 냉각을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
또한 난류모델로는 Realized k-ε(RKE)을 사용하였으며, 이 모델은 회전운동을 포함하는 유동, 역압력 구배에서의 경계층 그리고 박리 및 재순환 유동에 있어서 보다 향상된 해석 값을 보이기 때문에 본 연구에서는 통풍구 주변에서의 유동구조를 파악하고자 이 모델을 선택하였다.

가설 설정

그리고 탄소복합재 브레이크 디스크와 접하는 공기의 접촉면에 대해서는 점착조건(no-slip condition)을 사용하였으며, 통풍구를 통과하는 공기의 유동방향과 흐름을 파악하기 위해 입구와 출구에서의 유속을 0m/s로 설정하고 브레이크 디스크가 일정한 속도로 회전하는 것으로 가정하였다. 또한 각 모델별 형상에 관한 제원을 Table 2에 나타내었다.

제안 방법

반복 계산 시 종속변수들의 수렴정도를 점검하기 위해 잉여치(Residual) R값이 각 종속변수에 대하여 0.001이하에 도달하면 수렴된 것으로 간주하였으며, 수렴성을 좋게 하기 위해 계산 값들을 하향이완(under-relaxation)하였다.
본 연구에서는 현재 승용차량에 사용되고 있는 탄소복합재 브레이크 디스크의 3가지 모델을 선정하였으며, 정지상태의 유동장내에서 디스크가 43.87rad/s(60km/h)로 회전할 경우 통풍구 내부와 출구에서의 유동특성을 파악하였다.
특히 재부착 및 재순환영역에서의 격자의존성을 평가하여 격자에 따른 해석결과의 타당성을 검증하고 분석하였다.
또한 입구와 출구에서의 공기의 초기조건은 20°C 의 상온과 대기압 상태로 설정하였다.
이때 외부유동장 안에 존재하는 디스크가 일정한 속도로 회전할 경우 속도 및 압력구배가 가장 심할 것으로 예상되는 A모델의 재부착지점(통풍구 출구로부터 아랫방향으로 10mm위치)을 선택하여 격자 의존성을 평가하여 최적의 격자 크기를 선정하였다.
본 연구에서는 외부공기에 유속조건을 주어 간극을 통해 공기가 유입되도록 유도하여 통풍구로 토출시키는 기존 연구⁵⁾와 다르게 외부공기의 유속 경계조건을 V_i=0m/s로 설정하고 디스크를 43.87rad/s로 회전시켜 통풍구의 형상에 따른 유동구조와 출구 평균속도 및 평균정압 등을 분석하였다.
격자의존성 평가는 격자크기로 인한 해석오차를 줄이기 위한 방법으로서 결과가 변하지 않을 때 까지 지속적으로 수행함으로써 가능하다⁸⁾는 것을 고려하여 디스크 표면의 경계층으로 인한 와류영역(vortex region)과 역압력영역(reverse pressure region)이 크게 존재하는 재부착지점(reattachment point)에서 격자 의존성을 평가하였다.
현재 상용화된 탄소복합재 브레이크 디스크의 통풍구의 형상에 따른 디스크 주위에서의 유동특성을 분석하기 위해 전산유체역학 상용 프로그램인 ANSYS-FLUENT 12.0을 이용하여 해석한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

이론/모형

유동해석에는 전산유체역학 상용 프로그래인 ANYSY-FLUENT 12.0을 사용하였으며, 수치적 기법으로는 정상상태의 유동을 고려한 SIMPLE 알고리즘, 대류항 보간법으로는 상류차분법(UD)을 사용하였다.

성능/효과

속도분포는 격자크기가 2, 3, 4mm일 경우 디스크의 회전속도가 증가하여도 유사한 경향을 보인 반면 격자크기가 5, 7mm일 경우 매우 상이하게 나타났다.
따라서 본 연구에서는 Fig. 5, 6의 해석결과를 바탕으로 통풍구를 가진 탄소복합재 브레이크 디스크의 유동해석을 위한 격자크기를 4mm로 선택하였으며, 이를 통해 해석해의 정확성과 타당성을 확보할 수 있었다.
반면 C모델의 경우 통풍구의 형상에 따라 정압분포가 달라짐을 알 수 있었다. 특히 c₂, c₄, c₆번 구의 왼쪽 측면을 디스크의 외부공기가 부딪치면서 강한 양의 값을 가진 압력분포를 보이는 반면 간극을 통해 유입된 공기는 구의 출구쪽으로 토출되면서 확대된 출구면적에 의해 정압이 급격하게 낮아지게 됨을 알 수 있었다(c₁, c₃, c₅, c₇).
디스크의 회전속도가 증가할수록 통풍구 출구에서의 평균속도는 상승하며, A, C모델에서는 거의 유사한 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 a₃, c₂, c₄, c₆의 통풍구 형상이 디스크의 외측 경계면을 따라 외부공기가 유입될 수 있도록 설계되어 있기 때문이라고 사료된다.
그러나 B모델의 경우에서는 디스크의 회전속도가 증가 할수록 간극을 통해 유입된 공기가 통풍구의 곡선 경로를 따라 출구 쪽으로 전부 배출됨으로서 평균속도가 급격하게 상승함을 알 수 있었다.
1) 해석결과의 타당성을 검증하고 해석오차를 줄이기 위해 A모델의 재부착 지점에서 격자의존성을 평가한 결과 격자크기가 2, 3, 4mm에서는 속도와 정압분포가 유사한 경향을 나타낸 반면, 6, 7mm에서는 결과가 상이하게 나타났다.
이에 따라 본 연구에서는 해석해의 정확성과 타당성 등을 고려하여 4mm의 격자크기를 사용함으로써 최대 오차율 63.6%를 줄일 수 있었다.
2) 격자크기를 4mm로 설정하여 디스크 브레이크의 통풍구 형상에 따른 유동특성을 분석한 결과 A, C모델의 경우 축과 디스크사이의 간극으로 외부공기가 들어오거나 통풍구의 출구로부터 유입되는 반면 B모델의 경우 간극을 통해 유입된 공기가 통풍구의 곡선경로를 따라 방출된다는 것을 알수 있었다.
이에 따라 간극을 통해 유입되는 공기에 대한 속도 경계조건은 통풍구의 형상에 따라 다르게 적용시켜야 한다는 것을 알 수 있었다.
3) B모델의 경우 유입공기가 곡선 형상의 통풍구를 따라 통과하면서 출구에서의 평균속도와 평균정압은 디스크의 회전속도가 146.21rad/s에서 각각 4.64m/s와 0.58pa까지 상승시키는 반면, A와 C모델의 경우 구의 형상과 디스크의 회전속도 크기에 따라 유입공기의 유동구조가 달라져 출구에서의 평균정압이 변할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
4) 특히, 통풍구의 형상이 직선형인 A모델의 경우 회전속도가 146.21rad/s까지 상승함에 따라 출구에서의 평균정압이 -0.76pa로 나타나 주행속도가 급격하게 증가할 경우 통풍구의 출구 부분에서 와류에 의한 역압력이 크게 발생됨을 알 수 있었다.

후속연구

이러한 선회공기와 유입공기는 추가적으로 연구하고자 하는 디스크의 냉각을 고려할 경우 차량의 반복 제동시 디스크 표면에서 발생되는 고열을 방출시키지 못할 뿐만 아니라 디스크의 온도를 상승시킬 우려가 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	급제동시 켈리퍼에 의해 발생되는 열에너지를 흡수할 수 있는 브레이크 디스크에 관한 연구의 필요성은?	이에 따라 환경적, 기능적 측면을 고려한 차량의 고강도 소재개발과 제동성능을 향상시키기 위한 연구개발이 활발히 수행되고 있으며, 그 중 급제동시 켈리퍼에 의해 발생되는 열에너지를 흡수할 수 있는 브레이크 디스크에 관한 연구는 차량의 안전과 사고위험을 사전에 예방하는 차원에서 절실히 필요하다.
	브레이크 디스크는 어떤 것을 충족시켜야하나?	특히 브레이크 디스크는 감속에 따른 열에너지를 흡수 할 만큼 강한 내구성을 보유해야할 뿐만 아니라, 열을 최대한 방열시킬수 있는 고열전도, 내마모성, 내부식성 및 제동 안정성 등을 동시에 충족해야 한다. 이에 따라 차량용 브레이크 디스크의 제동 및 냉각성능을 개선하기 위한 많은 연구들이 이루어지고 있다.
	차량용 브레이크 디스크의 제동 및 냉각성능 개선을 위한 선행연구에는 무엇이 있나?	류미라 등1)은 브레이크 디스크의 경량화 및 차량의 연비성능을 향상시키기 위해 주철재와 알루미늄소재의 브레이크 디스크에 대한 제동성능을 비교·분석하여 알루미늄소재의 디스크 제동시간이 주철재용 디스크보다 낮다는 것을 알아내었다. A. Belhocine 등2)은 ANSYS-CFX상용프로그램을 이용하여 주철재 브레이크 디스크의 열적거동을 분석하여 디스크의 온도분포가 제동상태, 디스크의 냉각 모드 및 재료의 선택에 따라 달라질 수 있다는 것을 알아내었다. 조재웅 등3)은 제동시 브레이크 디스크 패드의 마찰부위에 대한 경계조건으로서 제동압력, 마찰온도 및 열유속 등을 부여하여 디스크 마찰면에서의 열적특성과 최대 변형률 등을 분석하였다. 또한 김무근 등4)은 반복되는 제동으로 인해 주 철재 브레이크 디스크와 패드사이에서 발생되는 마찰열의 상승을 제어하기 위한 방법으로서 히트 파이프 등의 유로형상에 관한 연구를 수행하였으며, 김진택5)은 디스크와 축사이의 간극(clearance)을 통해 외부공기가 일정한 속도로 유입되는 것으로 가정하여 반복제동에 따른 디스크의 열적거동을 분석하였다.

참고문헌 (8)

M. R. Ryu, H. E. Bae, H. S. Kim, D. H. Lee, S. B. Lee and J. H. Park, "A Study on Braking Performance of Break Disc," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.12, No.3, pp.13-20, 2013.

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A. Belhocine and M. Bouchetara, "Thermomechanical Modelling of Dry Contacts in Automotive Disc Brake," Journal of Thermal Sciences, Vol.60, pp.161-170, 2012.

상세보기
J. U. Cho and M. S Han, "Structural and Thermal Analysis of Disk Brake," Journal of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol.19, No.2, pp.211-215, 2010.
M. G. Kim, S. K. Ko and M. W. Lee, "A Study for the Cooling Performance of a Brake with Heat Pipes," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol.32, No.4, pp.563-569, 2008.

원문보기 상세보기
J. T. Kim, A Numerical Study of Thermal Performance in Ventilated Disk Brake under Repeated Applications, Ph. D. Dissertation, Chonbuk National University, Jeonbuk, Korea, 2001.
J. Y. Kim, FLUENT Basic of ANSYS(R)CFD, tsne, Seoul, 2010.
Y. J. Seo, J. H, Oh, J. S. Lee, K. S. Kang and G. S. Jung, "A Study on the Crossing-drilling Effects of Brake Disk Rotor," Transactions of KSAE, Vol.16, No.1, pp.100-105, 2008.
H. K. Myong, An Introduction to CFD, Munundang, Seoul, p.19, 2011.

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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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