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CFX 와 HEEDS 를 이용한 사류펌프 임펠러-디퓨저 최적화방법
Mixed-Flow Pump Impeller-Diffuser Optimization Method by Using CFX and HEEDS 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.10 = no.361, 2015년, pp.831 - 842  

이용갑 ((주)앤플럭스) ,  박인형 ((주)앤플럭스) ,  신재혁 ((주)앤플럭스) ,  김성 (한국생산기술연구원) ,  이경용 (한국생산기술연구원) ,  최영석 (한국생산기술연구원)

초록
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본 논문에서는 사류펌프의 성능을 향상시키는 최적화 방법을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 최적화 방법은 유동해석코드인 CFX 와 최적화 소프트웨어인 HEEDS 를 연계하는 프로세스로 이루어진다. CFX 는 유체기계해석 분야에서는 잘 알려진 소프트웨어로 해석결과의 신뢰성은 이미 검증되었으나, 새롭게 소개되고 있는 HEEDS 는 주로 구조해석 분야에서 최적화를 수행한 사례가 보고되어 있다. 이에 본 논문을 통해 유체기계에 적용하여 최적화 결과를 검토하였다. HEEDS 에는 SHERPA 라는 최적화 기법이 탑재되어 있으며, 다수의 설계변수를 설정할 수 있어 변수간의 교호작용 등을 효율적으로 검토할 수 있다. 본 논문에서는 DOE 방법으로 최적화가 이루어진 사류펌프 임펠러에 대해 개발된 방법을 적용하여 최적화 결과의 타당성과 안정성을 검토하였으며, 같은 방법을 디퓨저에 적용하여 최적화 형상을 검토하였다. 본 논문에서 개발된 최적화 방법을 이용하여 사류펌프 최적화를 수행한 결과, DOE 방법을 이용한 설계보다 개선된 결과를 적절한 시간 내에 얻을 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An optimization process was developed to improve mixed-flow pump performance. The optimization process was combined with CFX (a computational fluid dynamics (CFD) code) and HEEDS (an optimization code). CFX is a widely used CFD software for turbo machinery, whereas HEEDS, which uses the SHERPA algor...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 출구의 동압은 손실로 감쇄되기 쉬우므로 정압을 높이는 방향으로 설계 목표를 설정한 것이다. 마지막으로 출구에서 선회속도(swirl velocity)를 줄이는 것도 펌프에서 토출된 물이 파이프를 흐르면서 에너지의 손실이 최소화 될 수 있는 방안으로 판단하여 목적함수로 설정하였다.
  • 이 방법에서 최적화 코드가 필요로 하는 설계변수에 따른 유체기계의 성능은 유동해석을 수행하여 얻어지기 때문에 유동해석 결과의 신뢰성과 안정성이 매우 중요하다. 본 연구에서 유동해석에 사용한 CFX 코드는 격자, 대류항의 처리기법 및 난류 모델의 적용에서 사용자가 큰 신경을 쓰지 않아도 해석결과의 신뢰성을 확보할 수 있는 특징이 있으므로, 적용한 기법 및 특징에 대해 다음과 같이 기술한다.
  • 본 연구에서 일반적인 사용자에 의한 유체기계의 최적설계 방법을 확립하는 방안을 검토하였다. 유체기계해석에 안정적이고 신뢰성 있는 결과를 제공하는 CFX 를 유동해석코드로 사용하고 전문적인 지식이 없어도 최적설계를 수행할 수 있는 HEEDS 를 최적설계코드로 사용하였으며, 유체기계분야에 두 코드를 연계하여 적용하는 방법을 확립하였다.
  • 본 연구에서는 SHERPA 알고리즘을 사용하는 최적화 소프트웨어인 HEEDS 를 유체기계해석에서 널리 사용되고 있는 CFX 와 연계하여 안정적이고 일관성(robust) 있는 유체기계의 최적화를 달성할 수 있는 방안을 검토하였다. 본 연구에서 확립한 방법론을 적용하면 비교적 적당한 해석시간 안에 유동해석과 최적설계의 일반적인 지식을 가진 사용자에 의해 유체기계의 최적설계를 달성할 수 있을 것으로 판단된다.
  • 2 에 설명한 바와 같이 본 연구에서 유체기계의 최적화를 수행하는데 사용한 CFX 와 HEEDS 는 일반적인 사용자들이 유동해석 결과와 최적화 결과를 얻는데 무리가 없도록 개발되어 있는 것이 가장 큰 특징이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 이런 특징을 가진 CFX 와 HEEDS 를 연계 하는 방법을 검토하였으며, 팬과 펌프 등에 대해 적용한 결과 기존에 비해 향상된 유체기계의 형상을 얻어내는 결과를 확인하였다.
  • 이러한 연구결과를 이용하여 최영석 등(2)에 의해 실험계획법(DOE)를 적용하여 최적 설계된 비속도 550 급 사류펌프 임펠러를 초기모델(base model)로 CFX 와 HEEDS 를 이용한 임펠러의 최적설계를 수행하였다. 임펠러 최적설계의 목적은 과연 CFX와 HEEDS 를 이용하여 Fig. 12 에서 Fig. 14 에 정의한 다수의 설계변수를 동시에 적용하였을 경우 실험계획법(DOE)를 이용하여 사용자가 직접 장시간을 들여 최적화를 수행한 결과에 필적하거나 더 나은 결과를 빠른 시간 안에 도출할 수 있는 가를 검토하는 것이다. 실험계획법(DOE)를 수행하는 경우 앞에서 설명한 모든 변수를 한번에 처리할 수 없기 때문에 소수의 변수만 사용하고 대부분의 변수는 고정하여야 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
상용 CFD 코드를 유동해석코드로 활용할 수 있는 이유는 무엇인가? 이와 같이 CFD 와 최적설계를 접목하여 유체기계의 성능을 향상시키는 최적설계를 수행하는 사례가 증가하는 추세에 있으며, 대부분의 연구에서 CFX 와 같은 상용 CFD 코드를 유동해석코드로 활용하고 있다. 이는 CFD 를 이용한 수치해석기법이 일반적인 사용자에 의해 비교적 쉽고 일관된 (robust) 해석결과를 얻을 수 있기 때문에 가능한 방법이다. 그러나, 최적설계에서 CFX 와 같이 사용자에 따라 쉽고 일관성(robust)이 있게 결과를 얻을 수 있는 상용 최적화 코드는 비교적 최근에 소개되고 있는 추세이며, 사용 편의성과 최적설계 결과의 안정성을 제공하는 최적화 소프트웨어 중 하나로 HEEDS 를 검토할 수 있다.
최적설계에 사용되는 기법은 무엇이 있는가? 최적설계에는 여러 가지 기법이 개발되어 있으며 유전자기법(Genetic Algorithm), 반응면기법(Response Surface Method), 실험계획법(DOE) 등을 이용한 최적설계사례가 보고 되고 있다. 특히, 유체기계 중 사류펌프의 최적설계에 김진혁 등(3)과 최영석 등(2)의 연구결과에서 CFX 와 각 연구기관의 최적설계 기법을 적용하여 유체기계의 최적설계에 활용하는 것을 확인할 수 있다.
이종철(1)의 “유체기계분야 중 펌프 및 수차 분야의 연구동향”을 통해 확인할 수 있는 것은 무엇인가? 유체기계의 성능분석 및 예측에 CFD 기법을 이용하는 방법은 이미 일반화되어 있고 실험과 거의 비슷한 결과를 보이는 것을 여러 연구결과에서 확인할 수 있다. 특히 이종철(1)의 “유체기계분야 중 펌프 및 수차 분야의 연구동향”의 내용에 의하면 다양한 분야의 수차 및 펌프의 해석적인 연구에 CFX 가 사용되고 있으며 상용 CFD 코드의 활용영역이 유체기계의 성능개선 및 최적설계 등으로도 확장되고 있음을 알 수 있다. 또한 실험계획법 (DOE) 등을 이용한 유체기계의 최적설계에 CFX를 이용한 사례가 최영석 등(2)의 연구결과에서 보고 되고 있으며, 이러한 연구결과를 종합하면 CFX 와 같은 상용 CFD 코드의 신뢰성이 유체기계의 정밀한 성능분석을 필요로 하는 최적설계에도 충분히 적용 가능하다고 인식되고 있다.
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참고문헌 (19)

  1. Lee, J. C., 2011, "Research trends in Pumps and Hydraulic Turbine," Journal of Fluid Machinery, Vol. 14, No. 2, pp. 65-67. 

  2. Choi, Y. S., Lee, K. Y., Kim, S. and Kim, J. H., 2010, "Design Optimization of Mixed-flow Pump Impellers and Diffusers," Proceedings of the KFMA Annual Meeting, pp. 168-169. 

  3. Kim, J. H., Jin, C. H. and Kim, K, Y., 2010, "High Efficiency Design of a Mixed-Flow Pump through Optimization Techniques," Proceedings of the KFMA Annual Meeting, pp. 31-32. 

  4. Ferziger, J. H. and Peric, M., 1997, "Computational Methods for Fluid Dynamics," Springer. 

  5. Raithby G.D. and Schneider, G.E., 1979, "Numerical Solution of Problems in Incompressible Fluid Flow," Treatment of the Velocity-Pressure Coupling. Numer. Heat Transfer, 2. 

  6. Raw, M., 1996, "Robustness of Coupled Algebraic Multigrid for the Navier-Stokes Equations," AIAA Paper 96-0297, AIAA 34th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, NV. 

  7. Raw, M., 1985, "A New Control-Volume Based Finite Element Procedure for the Numerical Solution of the Fluid Flow and Scalar Transport Equations," Ph.D.Thesis, University of Waterloo, Canada 

  8. Coles, D.E. and Hirst, E.A., editors, 1969, "Computation of Turbulent Boundary Layers - 1968 AFOSR-IFP-Stanford Conference," Vol. 2, Stanford University, CA. 

  9. Menter, F.R. and Grotjans, H., "Application of Advanced Turbulence Models to Complex Industrial Flows," AEA Technology GmbH, Staudenfeldweg 12 D-83624 Otterfing, Germany 

  10. Esch, T., Menter, F.R. and Vieser, W., 2003, "Heat Transfer Predictions Based on Two-Equation Turbulence Models," 6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, Hawaii. 

  11. Menter, F.R., 1994, "Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications," AIAA-Journal 32(8), pp. 269-289. 

  12. Schittkowski, K., 1985, "NLPQL: A Fortran Subroutine for Solving Constrained Nonlinear Programming Problems," Annals of Operations Research, Vol. 5, pp. 485-500. 

  13. Goldberg, D.E., 1989, "Genetic Algorithms in Search, Optimization & Machine Learning," Addison Wesley Longman, Inc. 

  14. "SHERPA - An Efficient and Robust Optimization/ Search Algorithm," Red Cedar Technology 

  15. "A Benchmark Study of Optimization Search Algorithms," Red Cedar Technology 

  16. Ingber, L., 1996, "Adaptive Simulated Annealing (ASA): Lessons learned," Control and Cybernetics, Vol. 25 No. 1,pp. 33-54. 

  17. iSIGHT­FD Version 2.5 User's Manual, 2007. 

  18. 2014, ANSYS CFX Version 14 User's Manual. 

  19. Kim, S., Choi, Y. S., Lee, K. Y. and Yoon, J. Y., 2007, "Effect of Blade Angle Distribution on the Performance of a Centrifugal Pump in a Fixed Meridional Shape," Proceedings of the SAREK Annual Meeting, pp. 21-26. 

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