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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 산업현장에서 쓰이고 있는 후드에 가스유도장치(Gas-Guide-Device)를 설치하여 흡입으로 인한 후드 주변에 발생한 유동을 시뮬레이션 해보고 가스유도장치의 최적 형상과 위치를 도출하고자 한다.
- 본 연구에서는 국소배기장치 내 후드에서의 흡입효율 증가를 위한 가스유도장치 개발과 관련하여 다중물리해석프로그램을 이용한 연구에서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- (1) 본 연구에서는 COMSOL MultiphysicsTM 프로그램을 사용하여 후드 내 가스유도장치의 효율에 대한 시뮬레이션을 실시하였다.
- Table 2는 가스유도장치의 최적형상을 도출하기 위한 실험조건을 보여주는 것으로, 가스유도장치의 성능을 확인하기 위하여 실제 산업현장에 설치되어 있는 후드를 고려하여 가스유도장치의 크기를 결정하였고 시뮬레이션을 통해 각각의 경우에 있어서 유속을 측정하였으며, 최적의 형상 도출을 시도하였다. 본 연구에서 실험조건으로 채택한 가스유도장치의 형상들은 여러 가지 모의실험을 통해 얻은 결과를 바탕으로, 가스유도장치의 X, Y의 길이 비가 약 50～65% 범위에 가까이 접해 있을 때 후드의 제어속도나 풍량(평균유속)의 결과가 만족할 만한 결과를 가져왔기 때문에 실험조건을 Table 2와 같이 정리하여 연구를 수행한 것이다.
- 가스유도장치를 후드 내에 장착하기 위해 어떠한 형상으로 제작·설계하는 것이 가장 효과적인지 알아보기 위하여 우선, 첫 번째 후드의 입구에 6.85 m/s의 유속으로 강제 배기시켜 후드 및 컨베이어 상부 반제품 고무에서의 공기 유동을 2차원 정상상태로 해석하였다.
- 또한 가스유도장치의 최적 형상을 도출하여 상용화가 가능한 고효율 후드를 제작․설계하고자 여러 가지 형상의 가스유도장치를 모델링 한 후 각각의 경우에서 얻은 수치해석 결과를 비교·분석하여 보았다. 가스유도장치의 형상은 시제품으로 제작할 덕트 및 후드의 크기를 고려하여 Fig.1과 같이 폭(b)과 변(X:윗변, Y:아래 변)으로 나누어 형상을 결정하고 유동 시뮬레이션을 수행하였다.
- 결국, 레이놀즈수가 4000 이상이므로 난류유동 해석을 하였다. 또한 20℃, 1기압의 공기를 기준으로 후드 주위의 유동을 해석하였다.
- 그리고 Table 2의 실험조건들을 통해 수치해석을 수행하고 얻어진 결과를 비교·분석하여 가스유도장치의 최적의 형상을 도출해 내고자 하였다.
- 결국, 레이놀즈수가 4000 이상이므로 난류유동 해석을 하였다. 또한 20℃, 1기압의 공기를 기준으로 후드 주위의 유동을 해석하였다.
- 또한 가스유도장치의 최적 형상을 도출하여 상용화가 가능한 고효율 후드를 제작․설계하고자 여러 가지 형상의 가스유도장치를 모델링 한 후 각각의 경우에서 얻은 수치해석 결과를 비교·분석하여 보았다.
- 먼저 경계조건으로는 후드 출구면(덕트 연결부)에서는 Outflow Velocity Boundary Condition으로 설정하였고, Free Surface는 Air(1atm)으로 설정하였다. 또한 Wall에서는 유체유동이 발생하지 않으므로 No Slip B.
- 2는 시뮬레이션을 통한 유속 측정을 위하여 가스유도장치가 장착된 후드 내에서 Probe의 위치를 개략도로 보여주고 있다. 본 실험에서는 가스유도장치의 최적 형상 도출을 위해 5개의 point에서 유속을 측정하였으며, 각각의 Point에서 유속을 측정함으로써 그 결과를 확인해 볼 수 있었다.
- Table 3은 가스유도장치 형상 결정을 위한 실험조건에서 유동 시뮬레이션 수행한 뒤 측정지점에서 각각의 유속을 측정한 결과를 종합하여 정리한 것이다. 우선 가스유도장치의 폭(125, 150, 175)과 변(X, Y)의 비에 대하여 유속측정 결과를 분석하였다. 가스유도장치의 폭이 125일 경우 후드 양쪽 끝(Point 1, 5)과 가스유도장치 사이(Point 2, 4)에서 측정된 유속을 비교하여 본 결과 X, Y의 비가 4:6일 때 유속이 비교적 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다.
- 를 사용하였다. 우선 현장에서 사용 중인 후드를 대상으로 유동 시뮬레이션을 통하여 직경이 400mm인 원형 덕트를 통해 6.85m/sec의 유속으로 흡입되고 있는 경우, 가스유도장치가 장착되지 않은 경우와 장착된 경우에 있어서 후드내의 속도분포 결과를 알아보았다. 또한 가스유도장치의 최적 형상을 도출하여 상용화가 가능한 고효율 후드를 제작․설계하고자 여러 가지 형상의 가스유도장치를 모델링 한 후 각각의 경우에서 얻은 수치해석 결과를 비교·분석하여 보았다.
- 하지만 되도록 와류의 형성이 적게 일어나는 가스유도장치의 최적 형상을 도출하기 위해 각 경우에 있어서 와류의 발생형태를 비교 · 분석하였고, 가스유도장치의 형상을 바꾸면서 후드 입구에서의 유속을 측정한 결과를 종합하여 Table 3에 나타내었다.
이론/모형
- 나비어 스톡스 방정식은 후드 및 덕트 주위로 흐르는 공기 같은 유체와 기체의 흐름을 수학적으로 기술한 것을 말한다. 국소배기장치 모델링을 수치해석 하기위해 COMSOL MultiphysicsTM 프로그램을 사용하는데 본 프로그램에서 유동해석시 나비어 스톡스 방정식을 사용한다.
- 본 연구에서는 후드 입구에서 포착속도를 개선하고자 제작된 가스유도장치의 성능 평가를 위하여 COMSOL MultiphysicsTM를 사용하였다. 우선 현장에서 사용 중인 후드를 대상으로 유동 시뮬레이션을 통하여 직경이 400mm인 원형 덕트를 통해 6.
성능/효과
- (2) 시뮬레이션 결과를 분석하여 보면 가스유도장치가 없을 경우 발견하지 못했던 와류가 가스 유도장치 장착 후 발견 되었다. 이렇게 형성된 와류는 흡입효율저하의 요인이 될 수 있으나, 본 연구에서 중점적으로 개선하고자 하는 후드 입구 양 끝단의 포집효율향상에는 큰 영향을 미치지 않기 때문에 고려하지 않았다.
- (3) 수치해석결과 가스유도장치가 없는 후드보다 가스유도장치가 있는 후드의 경우 후드주변의 속도가 증가함을 볼 수 있었다.
- (4) 본 수치해석 결과 가스유도장치의 최적의 형상은 폭(b)이 125mm이고, 변(X, Y)의 비율이 4:6일 경우에 흡입효율이 가장 높게 나타남을 알 수 있었다.
- 우선 가스유도장치의 폭(125, 150, 175)과 변(X, Y)의 비에 대하여 유속측정 결과를 분석하였다. 가스유도장치의 폭이 125일 경우 후드 양쪽 끝(Point 1, 5)과 가스유도장치 사이(Point 2, 4)에서 측정된 유속을 비교하여 본 결과 X, Y의 비가 4:6일 때 유속이 비교적 높게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 또한, 가스유도장치의 폭이 150과 175일 때 측정지점에서의 결과를 비교·분석하여 본 결과 마찬가지로 X, Y의 비가 4:6일 때 전반적으로 유속이 높게 나타나는 것을 확인하였다.
- 이를 토대로, 가스유도장치의 X, Y의 비가 4:6일 때 후드의 양쪽 끝단에서 흡입효율을 높일 수 있다고 볼 수 있으며, 이는 본 연구에서 추구하고자 후드 입구 양쪽 끝단에서 Gas의 흩어짐을 막고 미처 흡입하지 못하고 이송되는 분진을 보다 효과적으로 포착할 수 있다고 판단된다. 또한 가스유도장치의 폭(b)이 125, 150, 175일 경우에 있어서 X, Y의 비가 4:6일 경우, 가스유도장치의 폭을 얼마로 하였을 때 보다 효과적인지 알아보기 위하여 시뮬레이션을 분석하여 본 결과, 폭(b)이 150이나 175일 경우에도 후드 입구 양쪽 끝단 및 후드와 가스유도장치 사이에서 유속이 비교적 빠르게 나타났지만, 앞에서도 언급하였듯이 후드 내 가스유도장치 상부 끝단에서 형성되는 와류를 고려하여 볼 때, 가스유도장치 폭이 125일 때보다 150, 175일 때 와류의 형성이 비교적 크게 나타나는 점을 고려하여, 본 수치해석 결과를 통해 가스유도장치의 최적형상으로는 가스유도장치 폭이 125이고, X, Y의 비가 4:6인[G125-4:6] 가스유도장치를 선정하기로 하였다.
- 으로 설정 하였고, 뒷면, 즉 후드 부 입구 뒷면은 계산영역에서 제외하였다. 또한 후드 및 주위 Surface의 총 격자수를 약 14,000개로 형성하였고, 프로그램의 Cell Reynolds Number를 최소화하여 수치해석의 신뢰성을 높였다.
- 또한, 가스유도장치의 폭이 150과 175일 때 측정지점에서의 결과를 비교·분석하여 본 결과 마찬가지로 X, Y의 비가 4:6일 때 전반적으로 유속이 높게 나타나는 것을 확인하였다.
- 이를 통해 사용자는 모델 구성 시 능동적으로 물리 영역간의 조합을 구성할 수 있다. 또한, 상용패키지로는 유일하게, GUI환경 안에서 Built-In 지배방정식을 원하는 대로 수정할 수 있으며, 제공되는 PDE폼을 이용하여 새로운 지배방정식을 설정할 수도 있다.5)
- 또한, 가스유도장치의 폭이 150과 175일 때 측정지점에서의 결과를 비교·분석하여 본 결과 마찬가지로 X, Y의 비가 4:6일 때 전반적으로 유속이 높게 나타나는 것을 확인하였다. 이를 토대로, 가스유도장치의 X, Y의 비가 4:6일 때 후드의 양쪽 끝단에서 흡입효율을 높일 수 있다고 볼 수 있으며, 이는 본 연구에서 추구하고자 후드 입구 양쪽 끝단에서 Gas의 흩어짐을 막고 미처 흡입하지 못하고 이송되는 분진을 보다 효과적으로 포착할 수 있다고 판단된다. 또한 가스유도장치의 폭(b)이 125, 150, 175일 경우에 있어서 X, Y의 비가 4:6일 경우, 가스유도장치의 폭을 얼마로 하였을 때 보다 효과적인지 알아보기 위하여 시뮬레이션을 분석하여 본 결과, 폭(b)이 150이나 175일 경우에도 후드 입구 양쪽 끝단 및 후드와 가스유도장치 사이에서 유속이 비교적 빠르게 나타났지만, 앞에서도 언급하였듯이 후드 내 가스유도장치 상부 끝단에서 형성되는 와류를 고려하여 볼 때, 가스유도장치 폭이 125일 때보다 150, 175일 때 와류의 형성이 비교적 크게 나타나는 점을 고려하여, 본 수치해석 결과를 통해 가스유도장치의 최적형상으로는 가스유도장치 폭이 125이고, X, Y의 비가 4:6인[G125-4:6] 가스유도장치를 선정하기로 하였다.
후속연구
- (5) 본 연구결과는 환기 시스템을 사용하고 있는 공기오염물질을 발생하는 전반적인 사업장에 유용하게 활용될 수 있으리라 본다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.