[논문]그루브의 Trap 효과에 대한 CFD 해석: 제 1부 − 그루브 단면 형상의 변화

홍성호

doi:10.9725/kstle.2016.32.3.101

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Trap effect of groove is evaluated in a lubricating system using computational fluid dynamics (CFD) analysis. The simulation is based on the standard k-ε turbulence model and the discrete phase model (DPM) using a commercial CFD code FLUENT. The simulation results are also capable of showing t...

Trap effect of groove is evaluated in a lubricating system using computational fluid dynamics (CFD) analysis. The simulation is based on the standard k-ε turbulence model and the discrete phase model (DPM) using a commercial CFD code FLUENT. The simulation results are also capable of showing the particle trajectories in flow field. Computational domain is meshed using the GAMBIT pre-processor. The various grooves are applied in order to improve lubrication characteristics such as reduction of friction loss, increase in load carrying capacity, and trapping of the wear particles. Trap effect of groove is investigated with variations in cross-sectional shape and Reynolds number in this research. Various cross-sectional shapes of groove (rectangular, triangle, U shaped, trapezoid, elliptical shapes) are considered to evaluate the trap effect in simplified two-dimensional sliding bearing. The particles are assumed to steel, and defined a single particle injection condition in various positions. The “reflect” boundary condition for discrete phase is applied to the wall boundary, and the “escape” boundary condition to “pressure inlet” and “pressure outlet” conditions. The streamlines are compared with particles trajectories in the groove. From the results of numerical analysis in the study, it is found that the cross-sectional shapes favorable to the creation of vortex and small eddy current are effective in terms of particle trapping effect. Moreover, it is found that the Reynolds number has a strong influence on the pattern of vortex or small eddy current in the groove, and that the pattern of the vortex or small eddy current affects the trap effect of the groove.

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문제 정의

그 외에도 마모입자나 불순물을 그루브 내에 가두어 세 물체 연삭마모(three body abrasive wear)에 의한 손상을 방지하는 기능을 한다.본 연구에서는 그루브의 마모입자 또는 불순물에 대한 포집(trap) 효과 측면에서 살펴보았다.
본 연구에서는 기초적인 연구로 2차원 sliding bearing을 대상으로 그루브의 단면형상의 변화에 대한 입자의 포집 효과에 대해 DPM 모델을 이용하여 분석하였다.
본 연구에서는 그루브의 단면형상의 변화에 의한 입자 포집효과에 대해 DPM 모델을 이용하여 해석을 수행하였다. 입자 궤적과 유선을 통해 그루브의 포집 효과를 평가할 수 있었다.
다음으로 윤활면의 운동방향과 그루브의 경사진 벽면과의 관계에 대해 단면형상이 사다리꼴인 경우에 대해 확인해 보았다. Fig.

가설 설정

또한 입자의 주입(injection) 방법은 한 점의 위치에서 하나의 입자가 분사되는 single point injection 조건을 사용하였다. 입자는 철분입자로 밀도(density)는 8030kg/m³이고 형상은 구형으로 가정을 하였으며 입자의 지름은 10µm이다.

제안 방법

해석은 그루브의 단면형상이 Fig. 4와 같이 정사각형(square), 타원형(ellipse), 사다리꼴(trapezoid), 이등변삼각형(isosceles triangle), U자형(U shape), 아래는 직사각형이고 위는 사다리꼴이 조합된 형태(trapezoid with rectangle base)에 대해서 수행하였다.
해석에서는 유체의 영향이 입자의 거동에 영향을 주지만 입자는 유체에 영향을 주지 않는 경우에 대한 1-way coupling 방법을 사용하였다. 그리고 입자 경계조건으로는 Fig. 5와 같이 벽면(wall)에서는 입자가 반사되는 reflect 경계조건을 적용하였고 inlet과 outlet에서는 입자가 소멸하는 escape 경계조건을 적용하였다. 또한 입자의 주입(injection) 방법은 한 점의 위치에서 하나의 입자가 분사되는 single point injection 조건을 사용하였다.
그루브의 단면형상 변화에 의한 입자 포집효과에대해 입자 궤적을 통해 살펴보았다. Fig.

이론/모형

그 외에 하수(sewer) 처리, 광산 산업(mining industries), 화학 산업(chemical industries), 강 역학(river mechanics)등에서 고체 물질 등을 유체의 흐름에서 분리하기 위해 침전물 포집 구조에 대하여 연구를 수행하고 있다. 주로 액체와 고체의 2가지 상(phase)의 유동에 대해 DPM(Discrete Phase Model) 또는 DEM(Discrete Element Model)을 이용하여 연구를 수행하였다 [2-5].
그루브의 포집 효과에 대해 상용 CFD 해석 프로그램인 FLUENT를 사용하였고 고체입자와 유체입자 사이의 유동에 대해서는 DPM 및 k-ε 난류 모델을 이용하였다. 해석 대상 및 작동조건은 Table 1에 나타나 있다.
해석 대상 및 작동조건은 Table 1에 나타나 있다. 해석에서는 유체의 영향이 입자의 거동에 영향을 주지만 입자는 유체에 영향을 주지 않는 경우에 대한 1-way coupling 방법을 사용하였다. 그리고 입자 경계조건으로는 Fig.
5와 같이 벽면(wall)에서는 입자가 반사되는 reflect 경계조건을 적용하였고 inlet과 outlet에서는 입자가 소멸하는 escape 경계조건을 적용하였다. 또한 입자의 주입(injection) 방법은 한 점의 위치에서 하나의 입자가 분사되는 single point injection 조건을 사용하였다. 입자는 철분입자로 밀도(density)는 8030kg/m³이고 형상은 구형으로 가정을 하였으며 입자의 지름은 10µm이다.

성능/효과

단면 형상이 U자형, 타원형과 같이 유선형인 경우에는 입자가 그루브 내에 포집되지 않는다. 그러나 삼각형이나 정사각형인 경우에는 2개 이상의 와류와 모서리 부근에서의 작은 와류의 발생으로 인해 입자가 포집되는 것을 확인하였다. 그 외에 레이 놀즈 수, 그루브의 경사진 벽면과 운동 방향과의 관계 도 입자의 포집효과에 영향을 준다.

후속연구

앞으로 이런 설계요소들을 고려하여 이물질에 의한 고착 및 마모가 발생하는 연료분사 펌프 시스템에서 그루브의 포집 효과를 최적화하는 연구를 수행할 예정이다.
그 외에 레이 놀즈 수, 그루브의 경사진 벽면과 운동 방향과의 관계 도 입자의 포집효과에 영향을 준다. 이 연구를 바탕으로 3차원 형상에 대한 그루브의 포집 효과에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

참고문헌 (8)

Merritt, H. E., “Hydraulic Control Systems”, John Wiley & Sons, Inc., pp. 108-111, 1967.
Kaushal, D. R., Thinglas, T., Tomita, Y., Kuchii, S., Tsukamoto, H., “Experimental Investigation on Optimization of Invert Trap Configuration for Sewer Solid Management”, Powder Technology, Vol. 215-216, pp. 1-14, 2012.

상세보기
Buxton, A., Saul, A., Stovin, V., Tait, S., “Developments in a Methodology for the Design of Engineered Invert Traps in Combined Sewer Systems”, Water Science and Technology, Vol. 45, No. 7, pp. 133-142, 2002.

상세보기
Daoyin, L., Changsheng, B., Xiaoping, C., “Development and Test of CFD-DEM Model for Complex Geometry: A Coupling Algorithm for Fluent and DEM”, Computers and Chemical Engineering, Vol. 58, pp. 260-268, 2013.

상세보기
Kharoua, N., Alshehhi, M., Khezzar, L., “Prediction of Black Powder Distribution in Junctions using the Discrete Phase Model”, Powder Technology, Vol. 286, pp. 202-211, 2015.

상세보기
FLUENT, FLUENT 15.0 Manual, 2013.
Hong, S. H., Son, S. I., and Kim, K. W., “Study on Lubrication Characteristics of Spool Valve with Various Cross-sectional Groove Shapes”, J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 29, No. 3, pp. 149-159, 2013.
Park, T. J., Hwang, Y. G., “Lubrication Analysis of Hydraulic Spool Valve with Groove Cross Sectional Shapes”, J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 25, No. 1, pp. 13-19, 2009.

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