[논문]교반기내의 폴리우레탄 레진의 혼합 특성에 관한 연구

허성규; 박인형; 하경호; 서용권

교반기내의 폴리우레탄 레진의 혼합 특성에 관한 연구
Study on Flow and Stirring Characteristics of Polyurethane resin in a mixer 원문보기

허성규 (동아대학교 대학원) , 박인형 (동아대학교 기계공학과) , 하경호 ((주)에스앤에프) , 서용권 (동아대학교 기계공학과)

This paper presents a numerical study to enhance the mixing of polyurethane resin in a container. In general, the properties of polyurethane resin vary with the production environment, such as temperature. However in this study we assumed that the dynamic viscosity of the polyurethane is kept constant at 15 [Pa s]. We computed the flow solution and visualized the mixing pattern for different shapes of mixers by using commercial code, ANSYS CFX. In order to quantify mixing, we employed the concept of mixing index by volume integration.

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문제 정의

이에 본 연구에서는 교반기 내에 폴리우레탄 레진의 비정상 상태에서의 유동 및 혼합에 대하여 수치해석을 수행하였다. 먼저 교반기에 대한 유동해석을 통하여 피치 블레이드 타입의 임펠러에 따른 유동 특성을 수치해석 하였으며, 교반조 벽면에 배플 설치에 따른 유동양상과 혼합효과의 변화를 고찰하였다.

가설 설정

본 유동모델에 대한 유동특성과 혼합특성 연구를 위해 상용코드인 CFX를 사용하였다 . 교반기내에 유체와 기체의 경계면의 변형을 고려하기 위해서는 많은 계산시간이 요구되므로 상단의 표면은 평탄하며 free slip조건이 타당한 것으로 가정하였다. 그 외의 벽면에는 no slip조건을 부여하였다.
실제 산업현장에 적용되는 교반대상 유체인 폴리우레탄 레진은 비 뉴턴유체이고 조성비에 따라 다양한 물성치를 가질 수 있겠으나, 본 연구에서는 기초연구의 목적상 점성계수 μ가 매우 큰 Newton 유체로 가정하였다.

제안 방법

(1) 수치해석을 통해 교반기 내의 유동 양상을 가시화 하였다.
이것은 비대칭적으로 인한 혼합효과의 증진을 기대할 수 있기 때문이다. 또한 교반기의 내부에 Fig. 2와 같은 수평 및 수직 배플을 설치하였을 때 나타나는 유동 및 혼합을 비교하였다.
이에 본 연구에서는 교반기 내에 폴리우레탄 레진의 비정상 상태에서의 유동 및 혼합에 대하여 수치해석을 수행하였다. 먼저 교반기에 대한 유동해석을 통하여 피치 블레이드 타입의 임펠러에 따른 유동 특성을 수치해석 하였으며, 교반조 벽면에 배플 설치에 따른 유동양상과 혼합효과의 변화를 고찰하였다. 본 논문의 수치해석을 위해서 유한체적법에 기반을 둔 CFD 상용코드인 CFX을 사용하였으며 각각의 교반기내 형상 변화에 따른 혼합의 상대적인 변화를 비교하기 위해서 체적에 대한 농도분포에 의한 혼합지수를 도입하였다.
먼저 교반기에 대한 유동해석을 통하여 피치 블레이드 타입의 임펠러에 따른 유동 특성을 수치해석 하였으며, 교반조 벽면에 배플 설치에 따른 유동양상과 혼합효과의 변화를 고찰하였다. 본 논문의 수치해석을 위해서 유한체적법에 기반을 둔 CFD 상용코드인 CFX을 사용하였으며 각각의 교반기내 형상 변화에 따른 혼합의 상대적인 변화를 비교하기 위해서 체적에 대한 농도분포에 의한 혼합지수를 도입하였다.
비정상유동해석을 위해서 국소시간간격(local time step) 을 사용하여 시간적분 하였으며, 유동이 안정화 되었을 때는 시간간격을 작게 하였다.
교반기내에는 회전하는 임펠러와 회전하지 않는 원통이 존재한다. 임펠러를 포함하는 영역은 회전좌표계를 사용하였고 그 외 영역은 고정좌표계를 사용하여 계산하였다.

대상 데이터

사용된 격자계는 비정렬 사면체 격자이며 경계층에는 프리즘 격자를 사용하였다.

이론/모형

본 유동모델에 대한 유동특성과 혼합특성 연구를 위해 상용코드인 CFX를 사용하였다 . 교반기내에 유체와 기체의 경계면의 변형을 고려하기 위해서는 많은 계산시간이 요구되므로 상단의 표면은 평탄하며 free slip조건이 타당한 것으로 가정하였다.

성능/효과

(2) 회전좌표계와 고정좌표계를 이용한 수치해석의 수행에 있어서 경계면에서는 보다 조밀한 격자계를 구성해야 한다.
(3) 혼합지수에 의한 결과를 통해 본 교반기의 모델에서는 배플의 설치가 유체의 혼합을 방해한다.

후속연구

이와 같이 지금까지의 연구는 실험적 연구에 치중되어 있었고 이는 시간과 비용의 소모가 크다는 단점을 지닌다. 또한 실험을 통한 연구는 교반기 내부의 국소적인 유동을 현상 파악하는데 있어 한계를 가지고 있다. 따라서 최근에는 수치해석을 통한 연구가 활발히 진행되고 있으며 컴퓨터의 발달로 인해 적은 비용과 시간으로 효율적인 교반기 유동 특성 연구를 할 수 있다.

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