[논문]자동차 냉매 압축기의 FSI(Fluid-Structure Interaction) 해석

손일국; 배성민; 김광일; 윤영섭

문제 정의

본 FSI 해석 과정에서 유동해석과 구조해석은 서로 다른 격자계를 사용하였다. 따라서 Interface 면에서 변위 및 압력을 전달하기 위해서는 Interpolation 및 Mapping 작업이 필요하며, 본 연구에서는 이를 수행하기 위한별도의 Interface 프로그램을 개발하였다.
본 연구에서는 독립된 상용 전산유체해석 코드와 구조 동력학해석 코드를 연동할 수 있는 Interface 프로그램과 제어프로그램을 개발하였고, 이를 활용한 FSI 해석 프로세스를 개발하였다. 개발된 FSI 해석 프로세스를 활용하여 자동차용 왕복동 압축기를 해석하였고, 실린더 내부 압력 변동, 속도 분포 및 밸브 변위, 밸브 최대응력 등을 예측할 수 있었다 계산된 실린더 내부 압력결과를 실험값과 비교하여 개발된 해석 기법 및 해석 프로세스를 검증하였다.
본 연구에서는 압축기의 실린더 내부를 해석하기 위하여유체-구조연동(FSI, Fluid Structure Interaction) 해석 프로세스를 개발하였다. 본 연구를 통해 개발된 Interface 프로그램과 제어프로그램은 독립된 유동해석 코드와 구조동력학 해석 코드를 서로 연결하여, 실제 운전 조건에서 실린더 내부 유동과 밸브의 거동 문제를 동시에 해석 가능하게 하였다.

제안 방법

밸브 및밸브와 접촉이 있는 부위를 중심으로 해석영역을 설정하였다. 경계조건으로 밸브 Root부를 구속하였고, 밸브에 미치는 압력은 매 시간 마다 유동해석을 통해 얻어진 값을 사용하였다.
벽에서 단열조건을 부여하였다. 경계조건으로 흡입 압력과 토출압력을 고정하고, 실린더가 상사점에 있을 때를 시작점으로 하여 재팽창, 흡입, 압축, 토출의 1사이클 전체에 대한 계산을 수행하였다.
4는 구조해석용 밸브의 Mesh를 보여주고 있다. 밸브 및밸브와 접촉이 있는 부위를 중심으로 해석영역을 설정하였다. 경계조건으로 밸브 Root부를 구속하였고, 밸브에 미치는 압력은 매 시간 마다 유동해석을 통해 얻어진 값을 사용하였다.
3에 나타내었다. 범용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하여 비정상 3차원 압축성 유동을 해석하였다. 난류모델은 Standard k-e 모델을 사용하였다.
하면으로 하였다. 본 FSI 해석 과정에서 유동해석과 구조해석은 서로 다른 격자계를 사용하였다. 따라서 Interface 면에서 변위 및 압력을 전달하기 위해서는 Interpolation 및 Mapping 작업이 필요하며, 본 연구에서는 이를 수행하기 위한별도의 Interface 프로그램을 개발하였다.
본 연구를 통해 개발된 Interface 프로그램과 제어프로그램은 독립된 유동해석 코드와 구조동력학 해석 코드를 서로 연결하여, 실제 운전 조건에서 실린더 내부 유동과 밸브의 거동 문제를 동시에 해석 가능하게 하였다. 개발된 FSI 해석 프로세스를 이용하여 가변 사판식 압축기를 대상으로 팽창, 흡입, 압축, 토출 과정의 1주기 전체를 해석하였고, 밸브개폐 시점, 밸브 변위, 밸브 응력 등의 구조해석 결과와 실린더 내부 압력변동, 냉매 온도변화, 밸브 주위의 유동, 질량유량 변화 등의 유동해석 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서 밸브거동 해석은 변형이 크고, Contact이 존재하여 비선형 구조해석이 필요하다. 밸브의 구조해석은 범용구조 동력학 해석 코드인 LS-Dyna를 사용하여 수행하였다.
본 연구에서 유동 계산을 위하여 사용된 연속방정식, 운동량방정식, 에너지 방정식 및 상태방정식은 다음과 같다.
본 연구에서는 CFD 코드와 구조해석 코드를 2-way Coupling 하는 프로세스를 개발하였고 이를 Fig. 5에 나타내었다. 최초 teO 에서 피스톤은 상사점에 있게 하고, 전체 영역을 토출 압력으로 초기화한다.
본 연구에서는 FSI 해석을 통하여 밸브의 거동을 분석하였다. 첫 번째 해석 조건에서 흡.
2에 나타내었다. 본 연구에서는 밸브를 포함한 1개 실린더의 내부, 흡입부와 토출부를 해석영역으로 하였다.
본 연구에서는 압축기 회전수와 압력 및 온도 경계조건을달리한 두 가지 해석조건에서 계산을 수행하였다. 첫 번째 해석 조건은 흡입압력 4.
최초 teO 에서 피스톤은 상사점에 있게 하고, 전체 영역을 토출 압력으로 초기화한다. 시간을 At 만큼 증가시키고 유동해석을 진행한다. 유동해석을 통하여 얻어진 밸브 상 하면의 압력값을 Load값으로 하여 구조해석을 진행한다.
시간을 At 만큼 증가시키고 유동해석을 진행한다. 유동해석을 통하여 얻어진 밸브 상 하면의 압력값을 Load값으로 하여 구조해석을 진행한다. 구조해석 결과에서 얻어진 밸브 변위는 다음 Time Step의 유동해석격자를 변형시키는데 사용한다.

대상 데이터

본 연구는 가변 사판식 압축기를 대상으로 수행되었으며그 단면도를 Fig. 1에 나타내었다. 다수의 실린더를 갖는 가변사판식 압축기는 증발기의 부하에 따라 사판 경사 사각도를 변경하여 압축기의 토출 유량을 제어한다.

데이터처리

FSI 해석 프로세스를 검증하기 위하여 두 번째 조건에서 계산된 실린더 내압 결과를 실험결과와 비교하였다. Fig.
개발된 FSI 해석 프로세스를 활용하여 자동차용 왕복동 압축기를 해석하였고, 실린더 내부 압력 변동, 속도 분포 및 밸브 변위, 밸브 최대응력 등을 예측할 수 있었다 계산된 실린더 내부 압력결과를 실험값과 비교하여 개발된 해석 기법 및 해석 프로세스를 검증하였다.

이론/모형

범용 CFD 코드인 FLUENT를 사용하여 비정상 3차원 압축성 유동을 해석하였다. 난류모델은 Standard k-e 모델을 사용하였다. 밸브 및 피스톤의 움직임에 따라 격자가 생성 또는 변형되는 Remeshing 기법을 활용하였다.
난류모델은 Standard k-e 모델을 사용하였다. 밸브 및 피스톤의 움직임에 따라 격자가 생성 또는 변형되는 Remeshing 기법을 활용하였다. 밸브의 움직임은 매 Time Step 마다 구조 동력학해석 결과로부터 얻어진다.
비선형 구조해석이 필요하다. 밸브의 구조해석은 범용구조 동력학 해석 코드인 LS-Dyna를 사용하여 수행하였다. Fig.
밸브의 움직임은 매 Time Step 마다 구조 동력학해석 결과로부터 얻어진다. 작동유체는 R134a이며 Real Gas 모델을 사용하여 실제 물성값을 계산 하였다. 벽에서 단열조건을 부여하였다.

성능/효과

본 연구를 통해 개발된 Interface 프로그램과 제어프로그램은 독립된 유동해석 코드와 구조동력학 해석 코드를 서로 연결하여, 실제 운전 조건에서 실린더 내부 유동과 밸브의 거동 문제를 동시에 해석 가능하게 하였다. 개발된 FSI 해석 프로세스를 이용하여 가변 사판식 압축기를 대상으로 팽창, 흡입, 압축, 토출 과정의 1주기 전체를 해석하였고, 밸브개폐 시점, 밸브 변위, 밸브 응력 등의 구조해석 결과와 실린더 내부 압력변동, 냉매 온도변화, 밸브 주위의 유동, 질량유량 변화 등의 유동해석 결과를 얻을 수 있었다. 개발된 FSI 해석프로세스의 검증을 위하여 실린더 내부 압력 해석결과와 실험결과를 비교 하였고, FSI 해석 구간에서 해석결과와 실험결과가 잘 일치함을 알 수 있었다.
개발된 FSI 해석 프로세스를 이용하여 가변 사판식 압축기를 대상으로 팽창, 흡입, 압축, 토출 과정의 1주기 전체를 해석하였고, 밸브개폐 시점, 밸브 변위, 밸브 응력 등의 구조해석 결과와 실린더 내부 압력변동, 냉매 온도변화, 밸브 주위의 유동, 질량유량 변화 등의 유동해석 결과를 얻을 수 있었다. 개발된 FSI 해석프로세스의 검증을 위하여 실린더 내부 압력 해석결과와 실험결과를 비교 하였고, FSI 해석 구간에서 해석결과와 실험결과가 잘 일치함을 알 수 있었다.
본 FSI 해석 방법은 실험을 통하여 얻기 어려운 국부 유동구조 압력분포 시간에 따른 온도변화 등을 해석 가능하게하였으며, 그 결과는 개발단계에서 유용하게 활용되었다.
10에 나타내었다. 해석결과에서 얻은 압축기의 Power 계산값은 실험값과 비교하여 약 4% 크게 예측되었다. 이러한 오차는 실린더 벽에서 단열조건을 부여하였기 때문에 발생된 것으로 판단된다.

후속연구

본 FSI 해석 프로세스는 압축기의 성능예측, 밸브의 내구해석, 압축기 소음예측, 흡입부와 토출부의 맥동해석 등에 이용될 수 있으며, 특히 압축기 개발 초기단계에서 설계인자의 영향도 분석에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 본 연구에서 개발된 FSI 해석 프로세스는 향후 정확도 향상과 계산시간 단축을 위한 지속적인 연구를 통하여, 압축기 개발 단계에서 압축기 성능향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
분석에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 본 연구에서 개발된 FSI 해석 프로세스는 향후 정확도 향상과 계산시간 단축을 위한 지속적인 연구를 통하여, 압축기 개발 단계에서 압축기 성능향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

자동차 냉매 압축기의 FSI(Fluid-Structure Interaction) 해석
FLUID STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS OF AUTOMOTIVE REFRIGERANT COMPRESSOR 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

자동차 냉매 압축기의 FSI(Fluid-Structure Interaction) 해석 FLUID STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS OF AUTOMOTIVE REFRIGERANT COMPRESSOR 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

자동차 냉매 압축기의 FSI(Fluid-Structure Interaction) 해석
FLUID STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS OF AUTOMOTIVE REFRIGERANT COMPRESSOR 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper