[논문]휠로더 흡배기구의 유동손실계수를 적용한 열유동해석

정찬혁; 이재석

doi:10.3795/ksme-c.2017.5.2.097

휠로더 흡배기구의 유동손실계수를 적용한 열유동해석
Thermal-Fluid Analysis with Flow Loss Coefficient on the Inlet and Exhaust Duct of Wheel-Loader 원문보기

대한기계학회 논문집. C, 산업기술과 혁신, v.5 no.2, 2017년, pp.97 - 104

정찬혁 (현대건설기계(주) 기술연구소) , 이재석 (현대건설기계(주) 기술연구소)

초록
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본 논문에서는 휠로더 냉각성능 평가를 위한 열유동해석의 효율성 향상과 비용 저감을 위해서 흡배기구 다공판형상을 Porous media 기법을 이용하여 단순화하고 해석 정도를 확인하였다. 여기서 Porous media에 적용된 다공판형상의 유동손실계수는 시험데이터를 바탕으로 정의하였다. 또한 다공판형상의 유동손실계수를 해석적으로 정의하기 위해 단위형상에 대한 압력손실을 계산하고 시험결과와 비교하였다. 마지막으로 휠로더 흡배기구를 단순화한 해석모델의 냉각해석 결과와 실차 방열시험 결과를 비교하였다. 이 연구를 통해 휠로더 흡배기구 단순화 해석기법의 적용 가능성을 확인하였으며 냉각성능 평가 및 개선 연구를 효과적으로 수행할 수 있는 기반을 마련하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we verify the accurate numerical analysis and simplify the perforated plate of inlet and exhaust duct using porous media for the cost reduction and the efficiency improvement of thermal-fluid analysis to evaluate cooling performance of wheel-loader. The flow loss coefficient of the perforated plate is defined by the experiment result. To define analytically the flow loss coefficient of the perforated plate, we calculate the pressure drop of unit-cell and compare to experiment result. Finally, we compare the heat balance test and the simplified simulation result on the inlet and exhaust duct of wheel-loader. After this study, we verify the applicability of the simplified analysis method on the inlet and exhaust duct of wheel-loader. And, foundation which can carry out effectively the evaluation and improvement for cooling performance of wheel-loader is prepared.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 같이 건설장비의 경우에도 냉각성능을 예측하기 위해 열교환기의 유동손실계수를 적용하여 냉각성능을 평가하는 방법이 연구^(1,2)되고 있다. 본 연구에서는 개발단계에 있는 휠로더의 냉각성능을 예측하기 위해 유동손실계수를 적용한 쿨링룸 열유동해석을 수행하고자 한다. 하지만 휠로더 흡배기구 형상이 매우 복잡하기 때문에 형상에 대한 유동손실계수 도출 및 유동특성을 분석하였다.

제안 방법

Porous Media 기법을 사용하기 위해 풍동 실험값에서 유동손실계수를 도출하였다. Fig.
하지만 휠로더 흡배기구 형상이 매우 복잡하기 때문에 형상에 대한 유동손실계수 도출 및 유동특성을 분석하였다. 그리고 유동손실계수를 적용하여 휠로더의 쿨링룸 열유동해석을 통한 냉각성능을 예측하였고 방열성능실험과 비교하였다.
9 는 배기구에 Porous media를 적용한 격자 수와 다공 형상의 격자 수를 이용하여 흡배기구에 사용되는 총 격자 수를 비교하였다. 약 6 만 개의 다공형상에 대한 격자생성은 매우 비효율적이기 때문에 1 개의 배기구를 이용하여 흡배기구 총 격자 수를 예측하였고, Porous media 를 적용한 흡배기구 총 격자 수와 비교하여 약 1 만 배 정도 차이를 나타낸다.
본 연구에서는 개발단계에 있는 휠로더의 냉각성능을 예측하기 위해 유동손실계수를 적용한 쿨링룸 열유동해석을 수행하고자 한다. 하지만 휠로더 흡배기구 형상이 매우 복잡하기 때문에 형상에 대한 유동손실계수 도출 및 유동특성을 분석하였다. 그리고 유동손실계수를 적용하여 휠로더의 쿨링룸 열유동해석을 통한 냉각성능을 예측하였고 방열성능실험과 비교하였다.
휠로더 쿨링룸 흡배기구에 유동손실계수를 적용한 열유동해석을 수행하기 위해 Fig. 8 과 같이 3D 모델 단순화를 진행하였고, 수치해석에 필요한 사면체 격자를 생성하였다. Fig.
휠로더의 냉각성능 예측을 위해 흡배기구 유동특성을 대체할 수 있는 유동손실계수를 적용하여 쿨링룸 열유동해석을 수행하였다. 유동손실계수를 적용한 쿨링룸 열유동해석 결과와 실차 방열시험 결과의 열교환기 온도가 최대 2.

대상 데이터

따라서 이러한 다공판형상의 유동특성을 효과적으로 모사하기 위해 Porous Media 기법을 적용하였다. 이에 앞서 다공판형상의 유동 특성과 Porous Media 를 사용한 유동특성을 비교하기 위해 Fig. 2 와 같이 단위주기 형상을 선정하였고 주기조건을 설정하였다. Fig.

데이터처리

Porous Media 기법을 사용하기 위해 풍동 실험값에서 유동손실계수를 도출하였다. Fig. 4 는 유동손실계수를 적용한 Porous media model 이며 유동 손실계수의 적용 가능성을 검토하기 위해 정일선 등⁽³⁾의 연구와 같이 다공판형상의 유동해석 결과와 비교하였다. Fig.
휠로더의 설계용 3D 형상 데이터는 각 선들의 연결 상태 및 면들의 정렬된 정도가 해석에 사용하기 복잡하여 단순화 작업이 필요하다. 해석 전처리 단계로 ANSYS 15.0 의 Design Modeler 를 이용하여 3D형상 단순화 작업을 진행하였다. 하지만 Fig.

이론/모형

0 을 사용하였으며 k-ω SST 난류 모델을 사용하였다. 그리고 유동 지배 방정식은 2nd Order Upwind 를 적용하여 공간차분을 하였으며, 속도와 압력의 연계는 SIMPLE 기법을 사용하였다.
1 과 같이 휠로더의 흡배기구가 수많은 다공판형상으로 이루어져 있어 해석을 수행하기 위해 비용이 많이 소요된다. 따라서 이러한 다공판형상의 유동특성을 효과적으로 모사하기 위해 Porous Media 기법을 적용하였다. 이에 앞서 다공판형상의 유동 특성과 Porous Media 를 사용한 유동특성을 비교하기 위해 Fig.
본 연구에서는 열유동해석을 위해 상용 전산유체역학 프로그램인 Fluent 15.0 을 사용하였으며 k-ω SST 난류 모델을 사용하였다.

성능/효과

3 은 단위주기 형상에 대한 신뢰성 검증을 위해 풍동 실험값과 비교하였다. 속도가 증가함에 따라 풍동 실험값과 단위형상의 압력 강하량 차이가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 단위형상이 주기조건에 의해 무한 반복되어 벽면에 대한 효과를 반영하지 못하기 때문에 이와 같은 차이가 발생한다.
B 는 실차 시험결과를 나타낸다. 열유동해석 결과를 방열시험과 비교하였을 때 온도가 전반적으로 높게 나타났지만 그 오차는 최대 2.65% 이하다. 해석을 위해 쿨링룸 내부 형상을 단순화하여 시스템 유동저항과 열교환기에 유입되는 공기 유량의 차이로 오차 발생의 원인이 된다.
휠로더의 냉각성능 예측을 위해 흡배기구 유동특성을 대체할 수 있는 유동손실계수를 적용하여 쿨링룸 열유동해석을 수행하였다. 유동손실계수를 적용한 쿨링룸 열유동해석 결과와 실차 방열시험 결과의 열교환기 온도가 최대 2.65% 이내의 차이를 나타내었다. 유동손실계수를 적용함으로써 흡배기구에 필요한 격자 수를 약 1 만배 정도 감소되어 해석에 소요되는 시간을 절감할 수 있었고, 이와 같은 프로세스를 통하여 냉각성능 개선을 위한 배치 최적화 작업을 효과적으로 수행할 수 있는 기반을 마련하였다.
65% 이내의 차이를 나타내었다. 유동손실계수를 적용함으로써 흡배기구에 필요한 격자 수를 약 1 만배 정도 감소되어 해석에 소요되는 시간을 절감할 수 있었고, 이와 같은 프로세스를 통하여 냉각성능 개선을 위한 배치 최적화 작업을 효과적으로 수행할 수 있는 기반을 마련하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휠로더의 냉각성능이 저하되는 원인은 무엇으로 예상되는가?	Figure 9~11 은 쿨링룸 냉각팬 중심에서의 압력, 속도 및 온도 분포를 나타내는 그림으로 열유동해석을 통한 휠로더 냉각성능 해석 결과를 분석할 수 있다. 냉각성능이 저하되는 원인으로 쿨링룸 하단부에 흡기구가 존재하지 않아 유동이 원활하지 않는데 이는 대기 온도보다 온도가 더 높게 형성되어 열교환기에 유입되므로 냉각성능이 저하되는 원인으로 예상된다. 그리고 흡기구에서 가장 근접하게 배치된 열교환기 때문에 그 뒤에 배치되는 열교환기의 유입온도가 국부적으로 높게 형성되어 냉각성능 저하의 원인이 된다.
	건설장비 개발 단계에 있어 냉각성능을 예측하는 것이 필요한 이유는 무엇인가?	최근 건설장비 분야에서 강화되고 있는 엔진 배기가스 규제와 소음 규제를 만족시키기 위해 다양한 노력들이 시도되고 있다. 이런 배기가스의 오염도 감소 및 소음 저감을 위한 대부분의 대책들은 열교환기의 방열량을 크게 하고 냉각 공기 유량을 감소시키기 때문에 이전보다 높은 냉각성능이 요구되고 있다. 따라서 건설장비 개발 단계에 있어 냉각성능을 예측하는 것이 개발 시간 및 비용 저감을 위해 필요한 작업이다.
	주행풍에 의해 냉각이 되는 자동차의 경우 냉각성능에 대해서 어떤 연구가 진행되어 왔는가?	따라서 건설장비 개발 단계에 있어 냉각성능을 예측하는 것이 개발 시간 및 비용 저감을 위해 필요한 작업이다. 건설장비와 달리 주행풍에 의해 냉각이 되는 자동차의 경우 엔진룸 내부의 유동해석을 통하여 냉각성능을 예측하는 연구가 진행되어 왔다. 이 때 형상이 매우 복잡한 열교환기 때문에 모델링 및 해석 시간이 많이 소요되므로 열교환기의 유동특성을 고려한 유동손실계수를 적용한다.

참고문헌 (3)

Kim, J. Y., Chung, K. N. and Sim, J. G.., 2009.5, "Cooling Analysis with Non-uniform Flow Field for Construction Equipment," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, pp. 283-286.
ANSYS Inc., 2012, "ANSYS Fluent Release Notes for 14.5".
Jung, I. S., Park, J. H., Bae, J. H. and Kang, S., 2013, "Porous Modeling for the Prediction of Pressure Drop through a Perforated Strainer," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 37, No. 4, pp. 358-367.

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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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