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문제 정의
- 일반적으로 용기의 가감속시간과 가속도 크기는 슬로싱의 강도에 크게 영향을 줄 수 있다. 따라서 두 가지 인자가 슬로싱에 미치는 영향을 이해하기 위해 두 가지 조건에서 연구를 수행하였다. 첫 번째는 가속도 크기를 고정하고 가감속 시간만을 바꾸는 경우이고, 두 번째는 일정한 거리를 이동시키기 위해 가감속시간과 가속도 크기를 모두 바꾸는 경우이다.
- 삼각형 속도 프로파일의 가감속 시간이 슬로싱에 미치는 영향을 살펴보고, 다모드의 고유진동수와의 관계를 분석한다. 또한 질량-스프링에기반한 등가 모델을 이용하여 근사해를 구하고 CFD 해와 비교함으로써, 등가 모델의 정확성을 평가해 보고자 한다.
- 먼저, CFD 해석 결과를 살펴보자. Fig.
- 본 연구에서는 사각 용기를 수평방향으로 이송시킬 때 발생하는 슬로싱 현상을 CFD 및 등가모델을 이용하여 해석하였다. 등가 모델로는 질량과 스프링에 기반한 모델을 사용하였고, 1차 모드뿐만 아니라 고차 모드의 영향을 함께 고려하였다.
- 하지만, 슬로싱에는 1차 모드뿐만 아니라 고차 모드가 함께 존재하므로, 슬로싱이 최소가 되는 가감속 시간에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 본 연구에서는 용기의 가감속 시간에 대한 파라미터연구를 수행하여 슬로싱이 최소가 되는 가감속시간을 찾고, 1차 모드 이외에 고차 모드를 함께 고려하여 이를 설명하고자 한다.
- 이러한 연구 배경 하에 본 연구에서는 슬로싱 억제에 효과적인 용기의 속도 프로파일을 설계하고자 한다. 이를 위해 간단한 등가 모델보다는 비선형 지배방정식을 풀어 정확한 해를 먼저 구한다.
- 이제 Fig. 10과 같이 용기의 이송거리가 일정한 조건에서 최적의 가속 시간을 찾아보고자 한다. 이 경우에는 가속 시간의 증감에 따라 가속도의크기가 같이 바뀌므로 두 인자가 서로 종속적이다.
- 이제, 2.3절에서 설명한 등가 모델의 결과를CFD 해석 결과와 비교하여 등가 모델의 정확성을 평가하고자 한다. Fig.
- 한편, 본 연구에서는 비점성 유동을 가정하고 연구를 수행하였는데 이유는 다음과 같다. 첫째, 본 연구의 목적 중 하나가 등가 모델의 정확성을 평가하는 것인데, 점성이 없는 경우를 먼저 다루고자 했다. 만약 점성 유동을 고려하고자 하면, 유체의 점성 효과를 하나의 변수(등가 모델의 감쇠계수)로 모델링해야 한다.
- 만약 점성 유동을 고려하고자 하면, 유체의 점성 효과를 하나의 변수(등가 모델의 감쇠계수)로 모델링해야 한다. 하지만, 감쇠계수의 모델링 자체가 하나의 큰 연구 주제이고 감쇠계수의 모델링에 따라 결과가 달라질 수 있으므로,본 연구에서는 비점성 유동에 대해 먼저 연구하고자 했다. 둘째, 물과 같이 점성계수가 크지 않은 경우에는 유체의 점성이 결과에 미치는 영향이 크지 않을 것으로 판단하였다.
가설 설정
- CFD 해석의 계산 영역은 물과 공기를 포함하는 용기 내부이며, 용기 내의 유체 유동은 2차원, 비점성, 비압축성이라고 가정하였다. 본 연구에서는 물과 공기로 이루어진 2상 유동을 해석하기 위해 ANSYS Fluent의 VOF(Volume of Fluid) 모델을 사용하였다.
- 한편, 본 연구에서는 비점성 유동을 가정하고 연구를 수행하였는데 이유는 다음과 같다. 첫째, 본 연구의 목적 중 하나가 등가 모델의 정확성을 평가하는 것인데, 점성이 없는 경우를 먼저 다루고자 했다.
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