[논문]알루미늄 피라미드 트러스 심재 샌드위치의 열유동 특성에 관한 수치해석 연구

강종수; 김상우; 임재용

doi:10.5762/kais.2019.20.3.638

초록
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본 연구에서는 전산유체역학 해석을 이용하여 알루미늄 피라미드 트러스 심재 샌드위치의 열유동 특성을 분석하였다. 규칙적 다공질 금속인 피라미드 트러스 코어를 샌드위치 구조물에 채용할 경우 공기 매질이 자유롭게 유입, 유출될 수 있는 개방형 코어인 점을 고려하여 하중을 지지할 수 있는 구조성능과 함께 방열체로서 다기능성을 구현할 수 있는 구조가 된다. 따라서, 유입되는 공기의 속도변화, 설계변수인 트러스각에 따른 압력강하와 열전달 메카니즘을 확인하기 위해 ANSYS/Fluent를 이용하여 수치해석을 실시하였다. 해석모델에 사용된 샌드위치 패널은 알루미늄으로 이루어져 있으며, 샌드위치 패널의 위 면재와 아래 면재 사이에는 15개의 피라미드 트러스 유닛셀이 반복되고 있다. 폭 방향으로는 무한히 넓은 유닛셀을 모사하기 위해 대칭조건을 지정하였으며, 입구에는 균일한 속도분포를 경계조건으로 입력하였다. 해석결과 입구부와 첫 유닛셀까지의 구간에서 입구영향이 관찰되었으며, 입구영향을 배제하고 마찰계수와 누셀수를 분석하였다. 공기의 속도가 증가할수록 마찰계수는 감소하였으며, 누셀수는 증가하는 경향을 보인다. 한편, V=1m/s에서 5m/s에서의 마찰계수와 누셀수 변화가 확연하였으며, 이는 층류에서 난류로 유동패턴이 변하기 때문에 거시적으로 열전도보다 대류열전달의 비중이 커졌기 때문이다. 또한, 설계변수인 트러스각에 대해서는 의미가 있을 정도의 마찰계수와 누셀수의 변화는 관찰되지 않았다. 따라서, 트러스각이 강도, 강성 등 구조성능에 민감한 점을 감안하면 다기능성을 염두에 둔 알루미늄 피라미드트러스 심재 설계 시 설계변수의 변화는 구조성능에 더 민감할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the fluid flow and heat transfer characteristics within sandwich panels are investigated using computational fluid dynamics. Within the sandwich panels having periodic cellular cores, air can freely move inside the core section so that the structure is able to perform multi-functional...

In this study, the fluid flow and heat transfer characteristics within sandwich panels are investigated using computational fluid dynamics. Within the sandwich panels having periodic cellular cores, air can freely move inside the core section so that the structure is able to perform multi-functional roles such as simultaneous load bearing and heat dissipation. Thus, there needs to examine the thermal and flow analysis with respect to design variables and various conditions. In this regard, ANSYS Fluent was utilized to explore the flow and heat transfer within the pyramidal truss sandwich structures by varying the truss angle and inlet velocity. Without the entry effect in the first unitcell, the constant rate of pressure and the constant rate of Nusselt number was observed. As a result, it was demonstrated that Nusselt number increases and friction factor decreases as the inlet velocity increases. Moreover, the rate of Nusselt number and friction factor was appreciable in the range of V=1-5m/s due to the transition from laminar to turbulent flow. Regarding the effect of design variable, the variation of truss angle did not significantly influence the characteristics.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Pyramidal Sandwich Structures (a) Sandwich panel (b) Unitcell of pyramidal truss
그림 Fig. 2. 3D geometry model construction
그림 Fig. 3. Boundary conditions
표 Table 1. Summary of CFD analysis
그림 Fig. 4. Pressure Drop (Simulation #2)
그림 Fig. 5. Velocity Distribution (Simulation #2)
그림 Fig. 6. Temperature Distribution (Simulation #2)
그림 Fig. 7. Friction factor and Nusselt number with respect to Reynolds number
그림 Fig. 8. Flow pattern around a pyramidal truss core of α =35˚, (a) V=1m/s, (b) V=15m/s.
그림 Fig. 9. Friction factor and Nusselt number with respect to truss angle.

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 하중지지를 위한 피라미드 트러스 구조 설계를 관한 연구[7-9]는 활발히 진행되었으나, 설계변수, 특히 트러스각에 대한 열유동특성에 미치는 영향을 평가한 연구는 제한적이다. 따라서, 본 연구에서는 전산유체역학해석(CFD)을 이용하여 설계변수, 특히 트러스각와 유입공기속도에 따른 열유동 특성을 탐색해보고자 한다.
본 연구에서는 알루미늄 모재의 피라미드트러스샌드위치 구조체의 열유동 특성을 알아보고자 한다. 이를 바탕으로 하중지지기능과 열전달 기능을 동시에 수행할 수 있는 다기능성 구조물을 설계하는데 기본정보를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 알루미늄 모재의 피라미드트러스샌드위치 구조체의 열유동 특성을 알아보고자 한다. 이를 바탕으로 하중지지기능과 열전달 기능을 동시에 수행할 수 있는 다기능성 구조물을 설계하는데 기본정보를 제공하고자 한다. 하지만, 하중지지를 위한 피라미드 트러스 구조 설계를 관한 연구[7-9]는 활발히 진행되었으나, 설계변수, 특히 트러스각에 대한 열유동특성에 미치는 영향을 평가한 연구는 제한적이다.

가설 설정

8. Flow pattern around a pyramidal truss core of α=35˚, (a) V=1m/s, (b) V=15m/s.
경계조건은 그림 3과 같이 지정하였다. 열전달 매질인 공기의 유입부(Inlet)와 유출부(Outllet)를 지정하였으며, 문제의 단순화를 위해 공기유입부에는 깊이방향에 대해서 균일한 속도분포(Uniform distribution)를 가지는 것으로 가정하였다. 한편, 샌드위치 패널 밑면에는 열유속(Heat flux) Q=8000W/m²을 지정하였으며, 무한대로 넓은 폭을 구현하기 위해 옆면에는 대칭조건(symmetry condition)을 부과하였다.
이 때, 샌드위치 패널의 열유동특성은 정상상태(Steady-state)에서의 열유동특성을 대상으로 하였으며, 샌드위치 패널의 폭(Width)방향으로 무한대로 넓은 패널을 가정하여 폭방향 변동성을 무시하도록 하였다.

제안 방법

2.1절에서 언급한 피라미드트러스 샌드위치 패널의 열유동특성을 탐색하기 위해 본 연구에서는 ANSYS/Fluent를 사용하였다. 해석 모델은 패널의 폭방향과 길이방향으로 각각 3개와 5개의 피라미드트러스 유니셀을 위치시켰으며, CATIA를 사용하여 고체부(샌드위치패널)과 유체부(공기유동공간)의 3D모델을 생성시켰다.
이는 해석을 수행한 12가지 모든 케이스에서 공통적으로 발견되는 현상인 입구효과(Entry effect)로서 균일속도의 유동이 진행되다가 첫 번째 트러스 코어를 만나면서 유동의 양상이 급격히 변하였기 때문이다. 따라서 마찰계수에 대한 데이터 처리 시에 이러한 입구영향을 배제하고 2-5번째 유닛셀을 지나는 압력강하 추세선을 이용하여 마찰계수를 계산하였다.
모든 조건에서 V=10m/s이며, 트러스각 α=30°, 35°, 40°, 45°에 대한 마찰계수와 누셀수를 계산하였다.
본 연구에서는 알루미늄 피라미드트러스를 채용한 샌드위치 구조물의 열유동특성을 분석하기 위해 ANSYS/Fluent를 이용하여 수치해석을 실시하였다. 이를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
샌드위치 패널에 삽입된 피라미드 트러스는α, tc, Wc, lc 등 다양한 설계변수가 있는데, 본 연구에서는 tc=1, Wc=12mm, bc=1.414mm로 고정하였으며, 유의미할 것이라 생각되는 트러스각을 α=30°, 35°, 40°, 45°로 변화시켜 트러스각 설계변수에 대한 열유동 특성을 고찰하였다.
1절에서 언급한 피라미드트러스 샌드위치 패널의 열유동특성을 탐색하기 위해 본 연구에서는 ANSYS/Fluent를 사용하였다. 해석 모델은 패널의 폭방향과 길이방향으로 각각 3개와 5개의 피라미드트러스 유니셀을 위치시켰으며, CATIA를 사용하여 고체부(샌드위치패널)과 유체부(공기유동공간)의 3D모델을 생성시켰다. 이를 그림 2에 나타내었다.

대상 데이터

사용된 알루미늄 재료의 물성은 Callister[10]로부터 인용하였으며, 밀도, 비열, 열전도도를 각각ρs = 2700kg/m3, CP=896 J/kg·K, ks=180W/m·K로 사용하였다.
생성된 CAD 기하모델은 ANSYS/Fluent에 입력되어 고체부는 헥사요소(Hexahedral element), 유체부는 테트라요소(Tetrahedral element)를 사용하였으며, α=30°, 35°, 40°, 45° 모델인 경우에 각각 1100만, 1300만, 1500만, 1700만개의 요소가 사용되었다.
유입되는 매질인 공기의 열물성은 Fluent에서 default로 제공하는 물성을 사용하였으며, ρf = 1.225kg/m3, CP=1006.4 J/kg·K, kf=0.0242 W/m·K, μf=1.7894×10-05kg/m·s로 지정하였다.

이론/모형

정상상태 k-ε standard 모델을 사용하였으며, Continuity, Momentum, Energy equation의 수렴조건을 각각 1.0E-06, 1.0E-03, 1.0E-06으로 지정하였다.

성능/효과

한편, 누셀수를 나타낸 그림 7(b)에 나타내었다. V=1m/s (Re=390)에서는 다른 속도 영역대보다 작은 누셀수가 관찰되었으며, V=1-5m/s에서 그 증가폭이 커지지만, V=5m/s (Re=1950)이상에서는 누셀수의 증가폭은 둔화된다. V=1m/s (Re=390)에서의 누셀수에 비해 V=5m/s (Re=1950)의 누셀수는 2배 이상 증가하였으며, V=5-30m/s구간에서도 약 2배 증가하였다.
같은 유동속도 V에 대해 마찰계수는 트러스각 α가 15° 변하는 동안 2%의 차이를 보였으며, 누셀수는 트러스각이 커지면서 증가하는 경향을 보였다.
2절에서 관찰한 바와 같이 Re가 증가함에 따라 누셀수는 완만하게 증가하는 경향을 보이기 때문이다. 따라서, 분석 결과설계변수에 대한 열유동파라미터는 중대한 유의미한 변화를 보이지 않는다.
샌드위치 패널에 공기가 균일 속도로 유입되면, 첫 피라미드트러스 유닛셀을 지나는 동안 뚜렷한 압력강화와 누셀수의 증가가 일어나는 입구효과가 관찰되었다. 이는 곧 두 번째 유닛셀 통과 이후 안정화된다.
속도가 낮은 V=1m/s (Re=390)영역에서의 마찰계수(Friction factor)가 속도가 높은 영역(V=5-30m/s)에 비해 훨씬 크게 관측되어 마찰에 의한 손실이 큼을 알 수 있다. 속도가 V=1m/s (Re=390)에서 V=5m/s (Re=1950)로 증가함에 따라 마찰계수는 50%이상 감소하였으며, V=10m/s (Re=3900)에서 V=30m/s(Re=11700)로 증가하는 동안의 마찰계수의 감소량은 V=1m/s (Re=390)에서의 마찰계수값 (f=1.085)의 약 5%만이 감소하였다. 한편, 누셀수를 나타낸 그림 7(b)에 나타내었다.
피라미드 트러스 심재의 설계변수인 트러스각에 의변화에 대한 마찰계수와 누셀수의 변화를 분석 결과, 고려한 트러스각 α=30°-45°범위에서의 마찰계수와 누셀수의 변화는 확연하지 않았다. 이를 통해 열전달과 구조성능의 다기능성 구조물 설계 시 설계변수의 변화는 구조성능에 더 민감할 것으로 판단된다.
피라미드 트러스 심재의 설계변수인 트러스각에 의변화에 대한 마찰계수와 누셀수의 변화를 분석 결과, 고려한 트러스각 α=30°-45°범위에서의 마찰계수와 누셀수의 변화는 확연하지 않았다. 이를 통해 열전달과 구조성능의 다기능성 구조물 설계 시 설계변수의 변화는 구조성능에 더 민감할 것으로 판단된다.

후속연구

강도 및 강성 등 기계적 성능이 트러스각에 대해 상당히 민감한데 반해, 열유동 특성은 기계적 특성에 비해 크게 민감하지 않다. 따라서, 피라미드 트러스 심재를 채용한 샌드위치 구조를 사용하여 하중지지와 열교환성능을 동시에 구현하는 다기능성 구조물을 설계할 경우 열교환 특성보다는 구조특성에 더 초점을 맞추어 최적설계를 할 필요성이 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	규칙적 다공질 금속을 이용한 경량 샌드위치 구조물은 무엇으로 다기능 적용되는가?	또한, 규칙적 다공질 금속을 채용한 샌드위치에서는 면재와 면재 사이의 심재부가 개방되어 있는 특성을 이용하여 프리즈매틱 코어는 유체가 일방향의 개방형 채널의 역할을 할 수 있으며, 트러스 심재의 경우 2차원 평면상에서 유체가 자유롭게 이동할 수 있는 특성을 지니고 있다. 따라서, 하중지지 역할과 동시에 열교환기, 방열구조 등의 역할을 효과적으로 수행하여 다기능 적용에 응용될 수 있다.
	레이놀즈 수는 어떤 파라미터인가?	해석결과를 분석하기 위해, 열전달에서 자주 사용되는 무차원 파라미터를 정의한다. 유체의 관성과 점성비로서, 층류와 난류의 경계를 구분하는 파라미터인 레이놀즈 수 Re는
	트러스 심재나 프리즈매틱 심재의 샌드위치 구조 특징은 무엇인가?	최근의 연구들에서 트러스 심재나 프리즈매틱 심재를 채용한 경량 샌드위치 구조가 적은 무게로도 하중 지지에 효과적임을 입증한 바있다. 또한, 규칙적 다공질 금속을 채용한 샌드위치에서는 면재와 면재 사이의 심재부가 개방되어 있는 특성을 이용하여 프리즈매틱 코어는 유체가 일방향의 개방형 채널의 역할을 할 수 있으며, 트러스 심재의 경우 2차원 평면상에서 유체가 자유롭게 이동할 수 있는 특성을 지니고 있다. 따라서, 하중지지 역할과 동시에 열교환기, 방열구조 등의 역할을 효과적으로 수행하여 다기능 적용에 응용될 수 있다.

참고문헌 (10)

J. Tian, T. Kim, T.J. Lu, H.P. Hodson, D.Q. Queheillalt, D.J. Sypeck, H.N.G. Wadley, "The effects of topology upon fluid-flow and heat-transfer within cellular copper structures", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 47, pp. 3171-3186, 2004. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.02.010

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T.J. Lu, L. Valdevit, A.G. Evans, "Active cooling by metallic sandwich structures with periodic cores", Progress in Materials Science, Vol. 50, pp.789-815, 2005. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2005.03.001

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L. Valdevit, A. Pantano, H.A. Stone, A.G. Evans, "Optimal active cooling performance of metallic sandwich panels with prismatic cores", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, pp. 3819-3830, 2006. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.03.042

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J.H. Joo, K.J. Kang, T. Kim, T.J. Lu, "Forced convective heat transfer in all metallic wire-woven bulk Kagome sandwich panels", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 54, pp. 5658-5662, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.08.018

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T. Kim, H.P. Hodson, T.J. Lu, "Contribution of vortex structures and flow seperation to local and overall pressure and heat transfer characteristics in an ultralightweight lattice material", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48, pp. 4243-4246, 2005. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.04.026

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H.B.Yan, Q.C.Zhang, T.J. Lu, "An X-type lattice cored ventilated brake disc with enhanced cooling performance", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 80, pp. 458-468, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.09.060

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F. W. Zok, S.A.Waltner, Z.Wei, H.J. Rathbun, R.M. McMeeking, A.G. Evans, "A protocol for characterizing the structural performance of metallic sandwich panels :application to pyramidal truss core", International Journal of Solids and Structures, Vol. 41, pp. 6249-6271, 2004. DOI: https://doi.org10.1016/j.ijsolstr.2004.05.045

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J. Xiong, L. Ma, S. Pan, L. Wu, J. Papadopuolos, A. Vaziri, "Shear and bending performance of carbon fiber composite sandwich panels with pyramidal truss cores", Acta Materialia, Vol. 60, pp. 1455-1466, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2011.11.028

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C.J. Yungwirth, H.N.G. Wadley, J.H. OConnor, A.Z. Zakraysek, V.S. Deshpande, "Impact response of sandwich plates with a pyramidal lattice core", International Journal of Impact Engineering, Vol. 35, pp. 920-936, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2007.07.001

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W.D. Callister, D.G. Rethwisch, Materials Science and Engineering 9E SI version, Wiley, 2014.

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