[논문]FSI 기법을 이용한 Self Inflating Tire의 펌핑 튜브 내부 유동 해석

김명준; 성인철; 황인경; 박태원

doi:10.7467/ksae.2016.24.6.660

FSI 기법을 이용한 Self Inflating Tire의 펌핑 튜브 내부 유동 해석
Analysis for Internal Flow of Tube on the Self Inflating Tire Using the FSI Method 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.6, 2016년, pp.660 - 667

김명준 (아주대학교 기계공학과) , 성인철 (금호타이어 동역학) , 황인경 (아주대학교 기계공학과) , 박태원 (아주대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Maintaining proper tire air pressure is an essential element in ensuring vehicle safety. UHP Tires that boast of many safety features are increasing in the market. In particular, the development of "Self-Inflating Tire" technology is accelerating around the globe. Self-inflating tire refers to a technique for maintaining appropriate tire pressure. An internal regulator senses when tire inflation pressure has dropped below the set air pressure. The tire boosts air through the valve when rolling and compressed air enters into the tire. This procedure keeps the tire air pressure at an appropriate level and increases tire safety. Flow analysis of the internal tube is required to examine self-inflating tires. In this study, a method of tube flow analysis using the FSI Method is proposed. The valve system is also implemented to optimize the regulator and sensor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이렇게 복잡해지고 변화된 유동 흐름에 의해 FSI 해석도 잘 이루어지지 않는 경우도 있다. 따라서 본 연구에서는 펌핑 튜브 내부의 압력에 따라 유동의 유입을 스위치 하는 가상의 밸브를 구현하였다. 실제의 밸브 역시 스위치 시스템으로 작동되는 밸브이다.
본 연구에서는 타이어의 눌림 및 회전에 의한 튜브 내부의 유압 및 유속의 변화를 살펴본다. 또한 FSI 해석이 완료되면 펌핑 튜브의 입･출구에 가상의 밸브 시스템을 장착해 튜브 내부의 압력에 따라 밸브를 작동시킨다.
본 연구의 모과제에서 튜브의 성능을 시험하기 위한 장비를 제작하였다. 장비는 Photo.

가설 설정

점도는 r과 함께 지수적으로 감소한다고 가정.
튜브의 길이를 λ의 정수배라고 하고, 튜브 끝단의 압력차이는 일정하다고 가정한다.

제안 방법

다음으로 해석 모델에 가상의 밸브 시스템을 장착해 자가 팽창 타이어를 구현해 보았다. 내부의 공기압이 적정 공기압 이하로 낮아지는 경우 외부 공기압을 흡입하도록 설계된 가상 시스템이다.
본 연구에서는 ANSYS FSI(Fluid-Structure Interaction)을 사용하였다. 먼저 튜브의 구조 해석을 통해 형상의 변형을 살펴보았다. 이후 FSI 해석을 통해 실린더의 눌림에 따라 장착된 펌핑 튜브의 내부의 유동 흐름을 살펴보았다.
실험 장비는 롤러에 의해 튜브를 가압한 후 일정 거리를 이동하면서 전달되는 공기량과 압력을 측정한다. 이때, 롤러는 자동으로 복귀해 지정 사이클을 왕복하도록 설계되었다.
실험 장비의 작동 원리는 롤러와 플레이트 사이에 튜브를 위치시키고 롤러에 의해 수직으로 가압해 정해진 스트로크를 왕복하면서 튜브 관로를 통해 공기의 전달 특성을 분석한다. 레귤레이터와의 연동을 통해 대기압 유입 및 차단 성능을 분석할 수 있다.
해석 결과와 실험 결과를 비교할 때 레귤레이터와 챔버의 유무에 의해 전체 압력 및 진행 사이클에 약간의 차이가 있었다. 이를 해결하기 위해 해석 1 모델에 가상의 밸브시스템을 장착하는 방법을 고안했다. 타이어 내부 공기압이 30 [psi] 이상이 되면 밸브가 잠기게 되고 30 [psi] 이하로 떨어지게 되면 밸브가 열리게 되면서 50 [psi]의 공기를 주입시키도록 설계하였다.
먼저 튜브의 구조 해석을 통해 형상의 변형을 살펴보았다. 이후 FSI 해석을 통해 실린더의 눌림에 따라 장착된 펌핑 튜브의 내부의 유동 흐름을 살펴보았다. 실험을 통한 결과와 해석을 통한 결과는 전체 압력의 크기는 레귤레이터와 챔버의 유무에 의해 0.
1 및 2와 같다. 제작한 장비와 해석을 통해 얻은 결과를 비교해 보았다.
이때 해석을 두 번으로 나눠서 진행했다. 첫 번째 CFX 해석은 정상상태 해석을 진행하게 되고 두번째 CFX는 정상상태 해석 결과를 이용하여 시간에 따른 해석을 진행한다. 이렇게 두 번에 나누어 해석을 진행하는 이유는 정상상태 해석을 통해 급격한 유동의 변화로 인한 오류를 사전에 막기 위함이다.
이를 해결하기 위해 해석 1 모델에 가상의 밸브시스템을 장착하는 방법을 고안했다. 타이어 내부 공기압이 30 [psi] 이상이 되면 밸브가 잠기게 되고 30 [psi] 이하로 떨어지게 되면 밸브가 열리게 되면서 50 [psi]의 공기를 주입시키도록 설계하였다. 그 결과 내부 압력에 따른 외부 압력의 입출력이 주기적으로 변화함을 확인할 수 있다.
레귤레이터와의 연동을 통해 대기압 유입 및 차단 성능을 분석할 수 있다. 타이어 내부에 에어 챔버를 통해 공기압의 주입 상태를 분석하고, 레귤레이터 측의 압력과 챔버측의 유량 및 압력을 측정한다. 가압 압력별, 속도별, 시료별 시험 실시를 통해 최적의 튜브 및 레귤레이터 성능을 도출할 수 있는 장비이다.
해석 2에서는 실제 시스템과 유사하게 실린더에 튜브를 장착한 채로 해석을 진행하였다. 그 외의 조건은 해석 1과 동일하게 하였다.
해석은 튜브가 지면에 깔린 채 실린더가 튜브를 누르며 회전하는 경우와 튜브가 실린더에 둘러진 채 병진 및 회전 운동을 진행하는 경우로 나누어 진행한다.

대상 데이터

휠의 역할을 하는 강체로 가정된 실린더가 튜브를 누르고 있다. 튜브는 외경 4 mm, 내경 3 mm에 길이 1600 mm이다. 튜브의 규격은 실험과 휠의 외경의 길이를 통해 결정했다.
내부에는 30 psi ~ 40 psi의 공기가 흐르고 있다. 해석에 사용한 튜브는 고무물성을 사용하였다.

이론/모형

실제의 밸브 역시 스위치 시스템으로 작동되는 밸브이다. 가상의 밸브 시스템은 Ansys CFX Expression Language(CEL)을 사용하였다.
또한 튜브의 직경이 매우 작아서 구조적인 튜브의 변형 역시 관찰이 어렵다. 본 연구에서는 ANSYS FSI(Fluid-Structure Interaction)을 사용하였다. 먼저 튜브의 구조 해석을 통해 형상의 변형을 살펴보았다.
본 연구에서는 이를 위해 FSI(Fluid Structure Interaction)해석 기법을 이용했다. 컴퓨터의 계산 속도가 향상되고, 이론적 배경 및 소프트웨어의 개발을 통해 연성해석이 가능해졌다.
펌프의 선대칭 흐름은 Navier-Stokes 식을 따른다. 이때 투과성 벽면의 유동은 Darcy의 법칙으로 설명할 수 있다.

성능/효과

001 MPa 정도로 유사하게 나타남을 확인 할 수 있었다. 실험 결과에서는 내부 부압이 0.004 MPa에서 대기압이 유입되고 대기압의 크기가 0.185 MPa에서 레귤레이터에 의해 차단되고 이때 챔버측 압력이 증가하며 레귤레이터 측의 압력이 낮아지고 부압 하한선에서 대기압이 유입되어 압력이 다시 증가함을 확인 할 수 있었다. 하지만 해석 결과에는 이러한 레귤레이터 및 챔버가 구현되어 있지 않기 때문에 최종적으로 증가한 압력만을 확인할 수 있었다.
이후 FSI 해석을 통해 실린더의 눌림에 따라 장착된 펌핑 튜브의 내부의 유동 흐름을 살펴보았다. 실험을 통한 결과와 해석을 통한 결과는 전체 압력의 크기는 레귤레이터와 챔버의 유무에 의해 0.01 MPa 정도의 차이를 보였지만 사이클에 의한 압력의 증분은 0.001 MPa로 동일했다. 해석 1과 해석 2의 결과 비교 역시 전체 압력이 0.
185 MPa에서 레귤레이터에 의해 차단되고 이때 챔버측 압력이 증가하며 레귤레이터 측의 압력이 낮아지고 부압 하한선에서 대기압이 유입되어 압력이 다시 증가함을 확인 할 수 있었다. 하지만 해석 결과에는 이러한 레귤레이터 및 챔버가 구현되어 있지 않기 때문에 최종적으로 증가한 압력만을 확인할 수 있었다.
001 MPa로 동일했다. 해석 1과 해석 2의 결과 비교 역시 전체 압력이 0.001 MPa의 차이가 나고 압력 증가는 0.001 MPa의 결과를 보임을 확인할 수 있었다.
해석 결과와 실험 결과를 비교할 때 레귤레이터와 챔버의 유무에 의해 전체 압력 및 진행 사이클에 약간의 차이가 있었다. 이를 해결하기 위해 해석 1 모델에 가상의 밸브시스템을 장착하는 방법을 고안했다.
해석 결과와 실험 결과를 비교해 보면 FSI 해석의 200초의 시간동안 즉, 1 사이클 동안의 해석 결과와 실험 결과의 사이클 당 증가량이 0.001 MPa 정도로 유사하게 나타남을 확인 할 수 있었다. 실험 결과에서는 내부 부압이 0.

후속연구

본 연구에서 만든 FSI 모델을 통해 추후 튜브의 형상 최적화에 활용할 수 있다. 응력 분석 뿐 아니라 내부 유동역시 고려하였기 때문에 튜브의 형상에 따른 눌림량 변화, 이로 인한 튜브 내부의 압력 변화를 설계에 활용할 수 있을 것이다.
본 연구에서 만든 FSI 모델을 통해 추후 튜브의 형상 최적화에 활용할 수 있다. 응력 분석 뿐 아니라 내부 유동역시 고려하였기 때문에 튜브의 형상에 따른 눌림량 변화, 이로 인한 튜브 내부의 압력 변화를 설계에 활용할 수 있을 것이다. 확정된 물성 정보에 따라 완전 압착이 보다 잘 이루어지는 최적의 형상을 도출하고, 완전 압착을 위해 필요한 최대 힘 및 이때 내부에 생기는 압력의 변화 등을 통해 최적의 튜브를 해석적으로 도출할 수 있을 것이라 생각된다.
이 시스템은 튜브 내부의 공기압에 따라 작동하는 압력 레귤레이터의 적정 범위 설정에 활용될 수 있다. 이를 실험 장비에 적용해 검증해 보고 실차 모델에 적용해 보다 효율적으로 시스템을 최적화할 수 있을 것으로 보여진다.
응력 분석 뿐 아니라 내부 유동역시 고려하였기 때문에 튜브의 형상에 따른 눌림량 변화, 이로 인한 튜브 내부의 압력 변화를 설계에 활용할 수 있을 것이다. 확정된 물성 정보에 따라 완전 압착이 보다 잘 이루어지는 최적의 형상을 도출하고, 완전 압착을 위해 필요한 최대 힘 및 이때 내부에 생기는 압력의 변화 등을 통해 최적의 튜브를 해석적으로 도출할 수 있을 것이라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자가 팽창 타이어의 특징은 무엇인가?	자가 팽창 타이어(Self Inflating Tire)기술은 UHP 안전 타이어의 하나이다. 자가 팽창 타이어는 공기 압이 일정 수준 이하로 떨어지면 외부의 공기를 흡입해 내부 공기압을 적정 수준으로 유지시켜준다. 별도의 전원공급 장치 및 운전자의 개입이 없이도 타이어 내부의 적정공기압을 유지할 수 있다.
	자가팽창 타이어 내부의 튜브는 어떤 원리로 작동되는가?	자가팽창 타이어 내부의 튜브는 정량펌프(peristaltic pump)의 원리로 작동된다. Fig.
	적정 타이어 공기압을 유지하는 것은 어떤 측면에서 중요한가?	적정 타이어 공기압을 유지하는 것은 다양한 측면에서 매우 중요하다. 먼저 안전성 확보에서 필수 적인 요소이다. 타이어 공기압의 감소는 타이어 회전저항의 급격한 증가를 유발한다. 적정 공기압 대비 1 bar가 낮은 경우 회전저항이 약 30 % 증가하고, 이는 연비를 3 % ~ 5 % 감소시킨다. Fig. 1에서 볼 수있듯이 환경적인 측면에서도 적정 공기압 유지는 마일리지 수명을 높임으로써 트레드 마모로 인한 CO 2 의 배출을 저감시킬 수 있다.

참고문헌 (8)

S. J. Hong and H. G. Lee, "An Experimental Study of Tire Safety & Economical Efficiency with Respect to Inflation Pressure," Transactions of KSAE, Vol.18, No.1, pp.8-13, 2010.
W. Choi, K. H. Kim, Y. S. Won and W. J. Lee, "Aerodynamic Design and Analysis on 1600kW Class Propeller Blade," Journal of Fluid Machinery, Vol.15, No.3, pp.19-24, 2012.
J. H. Shin, S. H. Lee and J. H. Lee, "Stress Based Node Refill Model for Lattice-boltzmann Method on Fluid-structure Interaction Problems," Journal of Fluid Machinery, Vol.15, No.3, pp.12-18, 2012.
G. C. Everstine, "Transient Fluid-structure Interaction Using Finite Elements," The American Society of Mechanical Engineers, PVP, Vol.310, pp.77-84, 1995.
D. C. Wiggert and A. S. Tijsseling, "Fluid Transients and Fluid-structure Interaction in Flexible Liquid-filled Piping," ASME, Appl. Mech. Rev., Vol.54, No.5, pp.455-481, 2001.

상세보기
P. L. Tallec and J. Mouro, "Fluid Structure Interaction with Large Structural Displacements," Comput. Methods. Appl. Mech. Engrg., Vol.190, Issues 24-25, pp.3039-3067, 2001.

상세보기
C. S. W. Lavooij and A. S. Tijsseling, "Fluidstructure Interaction in Liquid-filled Piping Systems," Journal of Fluids and Structures, Vol.5, pp.573-595, 1991.

상세보기
M. Pavan, N. V. S. Varun, B. Purushotham and N. R. Swaminathan, "Peristaltic Pumping of a Fluid of Variable Viscosity in a Non Uniform Tube/Channel with Permeable Wall," Advanced Materials Research, Vol.433-440, pp.331-338, 2012.

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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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