[논문]워터젯 노즐의 길이와 내부 나선 구조 유무에 따른 유체거동에 관한 전산해석

곽청렬; 신보성; 고정상; 김문정; 유찬주; 윤단희

doi:10.14775/ksmpe.2016.16.1.118

[국내논문] 워터젯 노즐의 길이와 내부 나선 구조 유무에 따른 유체거동에 관한 전산해석
A Study on the Simulation Analysis of Nozzle Length and Inner Spiral Structure of a Waterjet 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.1, 2017년, pp.118 - 123

곽청렬 (부산대학교 대학원 첨단정밀공학협동과정) , 신보성 (부산대학교 광메카트로닉스공학과) , 고정상 (부산대학교 기계공학부) , 김문정 (부산대학교 기계공학부) , 유찬주 (부산대학교 대학원 첨단정밀공학협동과정) , 윤단희 (부산대학교 대학원 첨단정밀공학협동과정)

Abstract ▼ AI-Helper

It is well known that water jetting is now widely used in the advanced cutting processes of polymers, metals, glass, ceramics, and composite materials because of some advantages, such as heatless and non-contacting cutting different from the laser beam machining. In this paper, we proposed the simulation model of waterjet by lengths and the inner spiral structure of the nozzle. The simulation results show that the outlet velocity of the nozzle is faster than the inlet. Furthermore, we found rapid velocity reduction after passing through the outlet. The nozzle of diameter ${\phi}500$ and length 70mm, shows the optimal fluid width and velocity distribution. Also, the nozzle with inner spiral structure shows a Gaussian distribution of velocity and this model is almost twice as fast as the model without spiral structure, within the effective standoff distance (2.5 mm). In the future, when inserting abrasive material into the waterjet, we plan to analyze the fluid flow and the particle behavior through a simulation model.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 그동안 진행해온 미세가공 ^[7] , 정밀 가공^[8], 다층소재 가공 ^[9],[10] , 절단공정해석 ^[11], 입자크기^[12] 에 따른 선행 연구와 워터제트장치 특허 ^[13],[14]를 바탕으로 하여 연마재 워터젯 가공기술에서 연마재(Abrasive) 거동을 확인하기 위한 선행연구로서 노즐의 길이(10mm, 40mm, 70mm, 105mm, 140mm) 에 따른 유체(Water) 거동과 노즐(70mm, ϕ500μm) 내부 나선구조 유무에 따른 분사 후 유체의 거동과 속도 분포를 CFD를 이용한 전산해석을 실행하여, 향후 연마재 거동 해석 연구의 기초로 삼고자 한다.

제안 방법

본 연구를 통하여 워터젯 노즐의 전산해석모델링을 제안하였고, 노즐길이 변화와 노즐 내부의 나선 유무에 따른 전산해석을 수행하여 다음과 같은 결론에 도달하였다.

대상 데이터

노즐 입구에 고압의 물을 주입하는 방법으로 전산해석을 실시하였다. 이 때 입력부의 압력은 직경 ϕ500μm에서 일반적으로 사용하는 3,000 atm (Table 1) 으로 실행하였다. 노즐 출구에서 10mm 이내의 5면(Table 2)에서의 유속을 확인하고자 한다.
노즐 내부의 나선 유무에 따른 유체 거동을 확인하고자 한다. 나선의 단면은 ϕ0.09mm 반구이며, 피치는 0.1mm, 나선의 길이는 50mm이다. Fig.

데이터처리

노즐 입구에 고압의 물을 주입하는 방법으로 전산해석을 실시하였다. 이 때 입력부의 압력은 직경 ϕ500μm에서 일반적으로 사용하는 3,000 atm (Table 1) 으로 실행하였다.
전산해석을 통하여 노즐 길이에 따른 유체거동을 직접적으로 확인하고자 하였다. 전산해석 프로 그램으로는 상용 유체유동해석 프로그램인 Ansys Workbench CFX를 이용하였다.

성능/효과

직경 ϕ500의 노즐은 길이 70mm에서 균일한 폭과 속도로 분사가 이루어진다. 노즐 입구보다 출구에서 상대적으로 속도가 높으며, 유체가 노즐 출구를 지나면서 외부에서 급격한 속도 감소가 확인되었다.
내부 나선구조가 존재할 경우에 가우시안 형태의 속도 분포를 가지며, 유효한 이격거리(2.5mm)내에서 나선이 없는 노즐에 비해 약 2배의 속도 강화가 이루어진다.

후속연구

향후에는 연마재 투입 시 연마재 워터젯의 유체 거동과 입자 거동에 관한 전산해석을 연구하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연마제 워터젯 가공기술의 장점은 무엇인가?	연마제 워터젯 가공기술(Abrasive waterjet)은 레이저 가공기술과 함께 근래에 가장 급속한 발전을 보이며 각광받고 있는 신기술 중에 하나이다. 고압으로 압축된 물에 가넷(Garnet)등의 연마재 워터젯 가공기술은 두꺼운 재료의 절단과 재귀반사물(Highly reflective materials) 등의 재료의 절단도 가능하여 레이저 가공기술을 보완해 준다. 또한 유리나 세라믹 등의 취성 재료의 가공도 가능하며, 열 변형이 없고 절단면이 우수하다. [1]
	연마재 워터젯 가공기술은 어떠한 특징을 갖는가?	연마제 워터젯 가공기술(Abrasive waterjet)은 레이저 가공기술과 함께 근래에 가장 급속한 발전을 보이며 각광받고 있는 신기술 중에 하나이다. 고압으로 압축된 물에 가넷(Garnet)등의 연마재 워터젯 가공기술은 두꺼운 재료의 절단과 재귀반사물(Highly reflective materials) 등의 재료의 절단도 가능하여 레이저 가공기술을 보완해 준다. 또한 유리나 세라믹 등의 취성 재료의 가공도 가능하며, 열 변형이 없고 절단면이 우수하다.
	연마제 워터젯 가공기술의 문제점은 무엇인가?	유입된 연마재는 노즐의 포커싱 부분에서 워터젯의 중심부로 포커싱 된다. 하지만 고압 고속의 워터젯에 연마재가 섞이는 과정 에서 포커싱 길이가 짧거나 연마재의 유입량이 과도한 경우 등에는 연마재의 일부가 워터젯의 중심 으로 집중되지 않고 가장자리에 위치하게 된다. 이렇게 가장자리에 위치한 연마재는 유리 가공에 있어서 절단면을 나쁘게 하거나 백화현상을 나타나게 하는 원인이 되며, 2.5mm 이하의 이격거리에서 백화현상이 감소한다. [2]

참고문헌 (14)

Miller, D. S., "Micromachinning with abrasive waterjets", Journal of Material Processing Technology, Vol. 149, pp. 37-42, 2004.

상세보기
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Hwang, K. H., Kim, S. R., Kim, C. M., Kim, R. W., Kwon, H. J., "Monitoring of Focusing Tube Wear in Abrasive Waterjet Machining", Proceeding of the KSMPE Autumn Conference, pp. 112, 2015.
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Shin, B. S., Park, K. S., Bahk, Y. K., Go, J. S., "A study on the microcutting characteristics of multi-layered material by abrasive waterjet", J. of The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, pp. 159-164, 2007.
Park, K. S., Bahk, Y. K., Lee, J. H., Lee, C. M., Go, J. S., Shin, B. S., "Experiment Investigations into the precision into cutting of high-pressured jet for thin multi-layered material", J. of The Korean Society for Precision Engineering, Vol. 26, pp. 44-50, 2009.
Park, K. S., Jeong, H. Y., Bae, Y. B., Shin, B. S., "Finite element analysis of abrasive waterjet cutting process by using commercial code", J. of The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, pp. 197-198, 2007.
Park, K. S., Je, S. K., Lee, C. H., Shin, B. S., "Experimental study on waterjet cutting of copper sheet according to abrasive particle size", J. of Korean Society of Precision Engineering, pp. 443-444, 2008.
Shin, B. S., Go, J. S., "Water Jet Device", Patent, No. 10-1123565-0000
Shin, B. S., Go, J. S., "Water jet cutting device", Patent, No. 10-2007-0072839.

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