[논문]물탱크의 형상에 따른 유동 특성에 관한 융합 연구

오범석; 조재웅

doi:10.15207/jkcs.2019.10.6.185

물탱크의 형상에 따른 유동 특성에 관한 융합 연구
Convergence Study on Flow Characteristic due to the Configuration of Water Tank 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.10 no.6, 2019년, pp.185 - 190

오범석 (공주대학교 기계자동차공학부) , 조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 연구에서는 다양한 물탱크의 형상에 따른 입출구의 유동 조건들에 따른 물탱크 내부에서 발생하는 유동특성을 전산 유체 역학 프로그램인 ANSYS CFX를 이용하여 분석하였다. 또한 다양한 물탱크의 형상에 따른 입, 출구의 유동 조건들에 변화를 주어 어떤 모델이 가장 효율적인지를 알아보았다. 모델 A, B, C에 같은 재질을 적용하였다. 유동해석 결과로서는 모델 B가 가장 좋은 유동의 속도를 보이고, 모델 C는 유동에 가해지는 압력이 가장 높은 것으로 나타났다. 이로써 물탱크가 제품의 형상에 따라 같은 재질을 가지더라도 그 유동 속도와 압력은 달라졌다. 따라서 본 유동해석 결과를 통하여 제품의 형상에 따라 유동의 흐름에 좋은 탱크를 개발 할 수 있다고 사료된다. 본 연구 결과를 토대로 유체 탱크의 형상에 따른 유동의 해석 데이터를 실생활에 융합하여 그 미적 감각을 나타낼 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the flow characteristics happening inside water tank due to the configuration of various water tank were analyzed by using a computation fluid dynamics program, ANSYS CFX. This study also examined which model was most efficient at the flow by changing the flow conditions of the inlet and outlet due to the configuration of various tank. Same material was applied to models A, B and C. As the result of flow analysis, it was shown that model B had the best flow and model C had the highest pressure applied to the flow. So, though the water tank has the same material according to the configuration of product, the velocity and pressure of flow become different. Therefore, it is thought to develop the tank good for the fluid flow due to the product configuration through this flow analysis result. On the basis of this study result, the esthetic sense can be shown as the analysis data of flow due to the configuration of fluid tank are grafted onto the real life.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Referred fluid tank
그림 Fig. 2. Fluid tank model
그림 Fig. 3. Fluid model except fluid tank
그림 Fig. 4. Inlet and outlet of model A
그림 Fig. 5. Pressure contours of mode A
그림 Fig. 6. Flow velocity inside tank of model A
그림 FIg. 7. Inlet and outlet of model B
그림 FIg. 8. Pressure contours of mode B
그림 Fig. 9. Flow velocity inside tank of model B
그림 Fig. 10. Inlet and outlet of model C
그림 Fig. 11. Pressure contours of model C
그림 Fig. 12. Flow velocity inside tank of model C

AI 본문요약
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문제 정의

5) 다양한 유체 중에서 물을 사용함으로서 유체 탱크의 형상에 따른 물의 영향을 보았고, 입구와 출구의 위치에 따라서의 유동에 관하여 속도와 압력을 해석을 하였다. 본 연구에서는 쉽게 접할 수 있는 물을 이용하여 유동 해석을 할 수 있었다. 임의의 다양한 유체 탱크들을 실제 형상과 비슷하게 하여실제 실험을 하지 않고도 예측되는 결과를 잘 검증할 수가 있어서 본 논문 결과를 유용하게 사용할 수 있다고 사료된다.

제안 방법

실제로 다양한 곳에 사용되고 있는 다양한 유체 탱크를 참조하여 CATIA를 이용해서 모델링하였다. 3D 모델링 된 다양한 유체 탱크 모델들은ANSYS를 이용하여 Fluid Flow(CFX) 해석을 통하여 유동 해석을 진행하였다. 이 결과를 통하여 모델 A, B, C를만들어 해석하였고, 이 세 가지의 모델을 이용하여 다양한 형상에 따른 해석을 할 수 있다.
5) 다양한 유체 중에서 물을 사용함으로서 유체 탱크의 형상에 따른 물의 영향을 보았고, 입구와 출구의 위치에 따라서의 유동에 관하여 속도와 압력을 해석을 하였다.
하지만 물은 액체에서 고체 상태로 되면 부피가 커진다는 다른 유체와는 다른 특성을 가져 단점이 될 수도 있다. 결국 다양한 유체 중에서 물을 사용함으로서 유체 탱크의 형상에 따른 물의 영향을 보았고, 입구와 출구의 위치에 따라서의 유동에 관하여 속도와 압력을 해석을 하였다. 실제로 다양한 곳에 사용되고 있는 다양한 유체 탱크를 참조하여 CATIA를 이용해서 모델링하였다.
유체가 유동을 할 때 입구와 출구를 통해 나가게 된다. 그러므로 입구와 출구를 임의로 설정하고 XY 면에서 Z방향에 따라 적용되는 면에 적용했다. 분석 결과 탱크 중심부의 압력이 가장 낮고, 가장자리로 갈수록 압력이 조금씩 상승하는 것을 볼 수 있다.
본 연구에서는 다양한 유체 탱크의 형상을 본 따서 3D 모델링을 하였다. 3D 모델링은 CATIA를 사용하였으며, 다양한 탱크에서 대표적으로 인용한 구조는 Fig.
본 연구에서는 임의의 다양한 유체 탱크들을 실제 형상과 비슷하게 CATIA를 사용하여 모델링하였고 ANSYS를사용하여 각 모델들을 Fluid Flow(CFX) 해석을 통해 해석하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
또한 다양한 유체를사용할 수 있기 때문에 제일 기초가 되고 쉽게 접할 수있는 물을 이용하여 유동 해석을 할 수 있다. 본 연구에서는 임의의 다양한 유체 탱크들을 실제 형상과 비슷하게 CATIA를 사용하여 모델링했다. ANSYS를 사용하여각 모델을 일반 Fluid Flow(CFX) 해석을 통해 해석하였다[1-10].
3D 모델링 된 다양한 유체 탱크 모델들은ANSYS를 이용하여 Fluid Flow(CFX) 해석을 통하여 유동 해석을 진행하였다. 이 결과를 통하여 모델 A, B, C를만들어 해석하였고, 이 세 가지의 모델을 이용하여 다양한 형상에 따른 해석을 할 수 있다. 또한 다양한 유체를사용할 수 있기 때문에 제일 기초가 되고 쉽게 접할 수있는 물을 이용하여 유동 해석을 할 수 있다.

대상 데이터

결국 다양한 유체 중에서 물을 사용함으로서 유체 탱크의 형상에 따른 물의 영향을 보았고, 입구와 출구의 위치에 따라서의 유동에 관하여 속도와 압력을 해석을 하였다. 실제로 다양한 곳에 사용되고 있는 다양한 유체 탱크를 참조하여 CATIA를 이용해서 모델링하였다. 3D 모델링 된 다양한 유체 탱크 모델들은ANSYS를 이용하여 Fluid Flow(CFX) 해석을 통하여 유동 해석을 진행하였다.

이론/모형

본 연구에서는 다양한 유체 탱크의 형상을 본 따서 3D 모델링을 하였다. 3D 모델링은 CATIA를 사용하였으며, 다양한 탱크에서 대표적으로 인용한 구조는 Fig. 1과 같다.
본 연구에서는 임의의 다양한 유체 탱크들을 실제 형상과 비슷하게 CATIA를 사용하여 모델링했다. ANSYS를 사용하여각 모델을 일반 Fluid Flow(CFX) 해석을 통해 해석하였다[1-10]. 위와 같은 유동의 해석 결과 데이터를 이용하여 유체 탱크의 형상에 따른 유동의 해석 데이터를 이용하여 그 설계 시에 융합하여 미적 감각을 더 나타낼 수있다[11-14].
자동차 외형 모델 및 엔진 유동해석, 생체내 유동, 건물내부의 화염전파와 같은 환경문제, 화학공정, 항공기날개 주위의 유동장 해석, 원자력 발전소의 냉각시스템해석 등이 주된 분야이다. 본 논문에서는 Fluid Flow(CFX)로서 ANSYS를 사용하였다[15-19].

성능/효과

1) 해석 결과 공통적으로 모델 A, B와 C 모두 출구에서 유체의 압력과 속도가 상승하는 것으로 보였다.
2) 3개의 모델들에 대한 해석 결과들을 비교 분석하면, 같은 재질의 Tank이어도 또한 같은 물성치의 유체인 물을 사용하여도 모델의 형상에 따라 압력과 속도가 달라짐을 알 수 있었다.
3) Streamline을 사용하여 3개의 모델을 비교 분석하여 본 결과 모델 A는 유체가 모델 내부를 3~5번정도 거쳐 출구로 배출되었고, 모델 B는 유체가 입구로 들어가 바로 모델의 천장 부분을 거쳐 출구로 배출되는 것을 확인 할 수 있었다.
3) Streamline을 사용하여 3개의 모델을 비교 분석하여 본 결과 모델 A는 유체가 모델 내부를 3~5번정도 거쳐 출구로 배출되었고, 모델 B는 유체가 입구로 들어가 바로 모델의 천장 부분을 거쳐 출구로 배출되는 것을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 모델C는 유체가 입구로 들어가 모델 내부를 소용돌이치며 유동하다가 출구로 배출되는 것을 알 수 있었다.
모델 C의 분석 결과 유체의 유속은 입구로 들어와 탱크 내부에서는 다른 모델의 유속보다 눈에 띄게 느려지는 것을 볼 수 있고, 출구로 배출될 때는 유속이 빨라지는 것을 알 수 있다.
5Pa 정도로 나타났다. 모델 C의 압력 대한 분석 결과, 이 모델은 다른 탱크의 압력과 달리 전반적으로 고르게 압력이 분포하는 것을 알 수 있다.
4) 본 해석을 통하여 실제 적용되었을 때, 예상되는 현상으로서 다양한 유체를 사용하는 것도 중요하지만, 사용되는 장소 및 공간에 따라 유체를 담은 탱크의 형상과 그에 따른 유체의 입, 출구를 설정하는것이 필요하다. 본 연구 결과로서의 그 장점으로서는 본 연구에 사용된 유체는 물로서 가장 흔하게 접할 수 있고 구할 수 있는 물로서 매우 넓은 범위에서 사용 중이고 다양하게 사용될 수 있다는 특징을 가지고 있다.
8m/s로 나타났다. 분석 결과 유체의 유속은 입구로 들어와 탱크 내부에서는 느려지고, 출구로 배출 될 때는 유속이 빨라지는 것을 알 수 있다.
8m/s로 나타났다. 분석 결과 유체의 유속은 입구로 들어와 탱크 내부에서는 느려지고, 출구로 배출 될 때는 유속이 빨라지는 것을 알 수 있다.
그러므로 입구와 출구를 임의로 설정하고 XY 면에서 Z방향에 따라 적용되는 면에 적용했다. 분석 결과 탱크 중심부의 압력이 가장 낮고, 가장자리로 갈수록 압력이 조금씩 상승하는 것을 볼 수 있다.
가장 낮은 부분의 압력은 약6Pa로 나타났고 가장 압력이 높은 부분은 약 8Pa로 나타났다. 이 모델에 대한 분석 결과 전반적인 탱크의 압력이 일정하다가, 탱크의 천장부로 갈수록 압력이 조금씩 상승하는 것을 볼 수 있다.

후속연구

위와 같은 유동의 해석 결과 데이터를 이용하여 유체 탱크의 형상에 따른 유동의 해석 데이터를 이용하여 그 설계 시에 융합하여 미적 감각을 더 나타낼 수있다[11-14]. 또한 해석 결과를 통하여 설계에 적용하였을 때 실제 실험을 하지 않고도 예측되는 결과를 잘 검증할 수가 있어서 본 논문 결과를 유용하게 사용할 수 있다고 사료된다.
본 연구에서는 쉽게 접할 수 있는 물을 이용하여 유동 해석을 할 수 있었다. 임의의 다양한 유체 탱크들을 실제 형상과 비슷하게 하여실제 실험을 하지 않고도 예측되는 결과를 잘 검증할 수가 있어서 본 논문 결과를 유용하게 사용할 수 있다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 실험에서 모델의 효율을 측정하기 위해서 변수로 둔 것은?	본 연구에서는 다양한 물탱크의 형상에 따른 입출구의 유동 조건들에 따른 물탱크 내부에서 발생하는 유동특성을 전산 유체 역학 프로그램인 ANSYS CFX를 이용하여 분석하였다. 또한 다양한 물탱크의 형상에 따른 입, 출구의 유동 조건들에 변화를 주어 어떤 모델이 가장 효율적인지를 알아보았다. 모델 A, B, C에 같은 재질을 적용하였다.
	물의 장점은?	물은 투명도가 크며 자연 상태에서 기체, 액체, 고체 3개의 상태로 존재한다는 특성을 지니고 있다.또한 열용량이 크고 열전도율이 높고 원활하여 다양한유체들 중에서 기초가 되는 결과치를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만 물은 액체에서 고체 상태로 되면부피가 커진다는 다른 유체와는 다른 특성을 가져 단점이 될 수도 있다.
	본문에서 언급한 물의 특성은?	연구에 사용된 유체는 가장흔하게 접할 수 있고 구할 수 있는 물로서 매우 넓은 범위에서 사용 중이고 다양하게 사용될 수 있다는 특징을가지고 있다. 물은 투명도가 크며 자연 상태에서 기체, 액체, 고체 3개의 상태로 존재한다는 특성을 지니고 있다.또한 열용량이 크고 열전도율이 높고 원활하여 다양한유체들 중에서 기초가 되는 결과치를 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다.

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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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