[논문]로봇청소기용 에어 펌프 내부 유동 해석

김재원; 석인호

문제 정의

흡입 방식은 많은 공기를 빠르게 흡입하므로 모터 소음 외에도 공기를 흡입하면서 내부 유로에서 발생되는 유동소음(Flow induced noise)[1]과 팬 소음이 발생한다. 본 논문에서는 이러한 흡입식 청소기의 소음을 감소시키고, 성능을 개선한 에어 펌프(Air Pump)방식 로봇 청소기의 내부 유로와 팬에 대해서 수치해석을 수행하고, 내부의 유동 현상과 압력 변동 등을 분석했다. 또한 로봇청소기의 성능적인 측면을 확인하기 위해 3,000mm × 3,000mm[2]의 제작된 공간에서 먼지제거 성능 시험을 병행했다.
본 연구에서는 팬에 회전조건을 주기 위하여 Moving element[4] 조건을 팬에 인가하였다. 또한 병행된 실험에서 측정하여 얻어진 6900RPM을 팬의 회전조건에 인가하였고, 정상 상태(Steady State), 비압축성유동으로 가정하여 해석을 수행하였다.

가설 설정

본 연구에서는 팬에 회전조건을 주기 위하여 Moving element[4] 조건을 팬에 인가하였다. 또한 병행된 실험에서 측정하여 얻어진 6900RPM을 팬의 회전조건에 인가하였고, 정상 상태(Steady State), 비압축성유동으로 가정하여 해석을 수행하였다. 입구(Inlet)에는 대기압조건(Static Pressure)을 인가하였고, 출구(Outlet)에는 Natural Outflow 조건을 인가하였다.

제안 방법

또한 로봇청소기의 성능적인 측면을 확인하기 위해 3,000mm × 3,000mm[2]의 제작된 공간에서 먼지제거 성능 시험을 병행했다.
본 연구는 기존의 흡입식 원심 팬이 아닌 에어펌프 팬을 가진 로봇청소기의 내부 유동 및 압력에 대한 고찰을 위해서 상용 프로그램인 CS/Tetra를 이용하여 수치해석을 수행하였고, 성능에 대한 실험을 KS규격에 의거하여 실험을 수행하였다. 이와 같은 수치해석과 실험을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
0[3]를 사용하였다. 본 연구는 에어 펌프 팬과 내부 유로의 유동 및 압력 변동을 예측 및 해석하기 위한 것이기 때문에 해석영역에서 회전 브러쉬를 제외하고, 팬과 유로, 작동 유체인 공기에 대해서만 수치해석을 실시하였으며, 주요 재원을 Table 1에 나타내었다.
성능실험이 수행되는 공간은 Fig. 4와 같이 3,000mm×3,000mm의 크기의 목재로 제작하였고, 제작된 공간의 바닥 또한 목재로 제작하였으며, 실험 방법은 바닥에 모래를 고르게 뿌리고, 10분 동안 로봇청소기를 가동한 후 바닥에 남아있는 모래를 수거, 수거한 모래의 무게를 측정하여 로봇 청소기의 성능실험을 수행하였다.
8%의 성능을 보여주었다. 이 성능실험 외에 먼지 무게에 대한 흡입률을 알아보기 위해 약 3g정도의 무게를 가진 쇠붙이 조각에 대한 흡입유무를 실험하였다. 그 결과 흡입식 로봇청소기가 흡입하지 못하는 쇠붙이를 에어펌프 방식의 청소기는 흡입하는 것을 보여주었다.
또한 압력 및 속도 보정을 위하여 SIMPLEC(Semi-Implicit Method of Pressure-Linkd Equation Consistent) 알고리즘[5]을 사용하였다. 전산해석에 사용된 격자의 구성을 사면체(Tetrahedron) 격자와 프리즘(Prism) 격자로 분할하여 구성하였으며, 격자가 구성된 모델을 Fig. 3에 나타내었다.

이론/모형

입구(Inlet)에는 대기압조건(Static Pressure)을 인가하였고, 출구(Outlet)에는 Natural Outflow 조건을 인가하였다. 또한 압력 및 속도 보정을 위하여 SIMPLEC(Semi-Implicit Method of Pressure-Linkd Equation Consistent) 알고리즘[5]을 사용하였다. 전산해석에 사용된 격자의 구성을 사면체(Tetrahedron) 격자와 프리즘(Prism) 격자로 분할하여 구성하였으며, 격자가 구성된 모델을 Fig.
성능실험은 KS 규격에 의거하여 실험을 수행하였다.
에어 펌프형 로봇청소기의 유동해석을 위하여 상용 CFD코드인 SC/Tetra 7.0[3]를 사용하였다. 본 연구는 에어 펌프 팬과 내부 유로의 유동 및 압력 변동을 예측 및 해석하기 위한 것이기 때문에 해석영역에서 회전 브러쉬를 제외하고, 팬과 유로, 작동 유체인 공기에 대해서만 수치해석을 실시하였으며, 주요 재원을 Table 1에 나타내었다.
정확한 난류 현상을 예측할 수 있는 모델이 개발되지 않았기 때문에 난류 모델로는 보편적으로 가장 많이 쓰이는 난류 모델인 Standard k-ε을 선정하였고, Standard k-ε모델은 난류운동에너지와 소산율의 수송을 지배하는 다음과 같은 k와 ε에 관한 두 개의 미분방정식이 적용된다.

성능/효과

1) 입구영역 유동분포에서 정체영역을 확인할 수 있었고, 이는 유로 경사각으로 인한 정체로 유로 개선을 통해 정체현상을 감소시킬 수 있을 것으로 예상된다.
2) 수치해석 결과 입구영역의 압력과 펌프 하우징영역의 압력을 비교했을 때, 압력차가 기존의 흡입식 청소기에 비해 적은 것[6]으로 나타났다. 이로 인해 흡입에 의존한 청소가 아니라는 것을 예상할 수 있다.
3) 청소성능실험결과 평균 96.8%의 성능을 보였으며, 기존의 흡입식 청소기의 성능과 동등 또는 향상되었음을 알 수 있고, 무게에 대한 청소성능실험에서는 흡입식 청소기가 흡입할 수 없는 무게의 쇠붙이를 흡입하는 것으로 나타났다.
3회에 걸친 성능실험결과 흡입률은 1회에 98.3% 2회에 97.6% 3회에 97.5%로 평균 흡입률 96.8%의 성능을 보여주었다. 이 성능실험 외에 먼지 무게에 대한 흡입률을 알아보기 위해 약 3g정도의 무게를 가진 쇠붙이 조각에 대한 흡입유무를 실험하였다.
4) 흡입식 로봇청소기는 흡입한 먼지 외에 공기를 배출시킬 수 있는 배기구가 필요하지만 에어펌프 방식의 로봇청소기는 먼지 배출구외에 공기 배출구가 없으므로 공기가 배출될 때 발생되는 유동소음 측면에서 유리할 것으로 예상된다.
Fig. 7과 Fig. 8은 단면 b와 c 에 해당되는 입구영역의 유동분포와 압력분포를 나타낸 것으로 입구의 오른쪽에서 정체 현상이 발생되는 것을 관찰할 수 있었고, 압력분포는 단면 b에 가까워질수록 낮아지고, 유동분포는 단면 b 에 가까워질수록 빨라지는 것으로 나타났다.
이 성능실험 외에 먼지 무게에 대한 흡입률을 알아보기 위해 약 3g정도의 무게를 가진 쇠붙이 조각에 대한 흡입유무를 실험하였다. 그 결과 흡입식 로봇청소기가 흡입하지 못하는 쇠붙이를 에어펌프 방식의 청소기는 흡입하는 것을 보여주었다.
에어펌프방식에 의한 청소성능과 원심 송품기에 의한 흡입 성능의 비교에서는 KS기준에 의한 비교 실험 결과 그 성능은 유사 하였다. 그러니 흡입 성능을 결정하는 압력 차이의 크기는 펌프방식의 청소기 구조가 원심 송풍기 채택의 청소기에 비해 불리한 것이 확인되었다.

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