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스크린 필터 형상 설계 변경에 따른 관내 유동 및 차압 개선 연구
임영찬(Y. C. Lim),김동선(D. S. Kim),서현규(H. K. Suh) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
본 연구는 해수 여과 장치용 스크린 필터의 형상 설계 변경에 따른 관내 유동 및 차압 성능 개선 방안을 실험을 기초로 하여 수치 해석적 방법으로 수행되었다. 해석에 적용된 스크린 필터는 발전기 냉각 장치의 14 인치 해수 이물질 제거용 필터로, 작동 유체 유입 시 스크린 필터 적용에 따라 변화되는 관내 유동 특성과 차압 결과를 비교 분석하였다. 관내 유동 및 차압 특성 분석은 14 인치 관내에 스크린 필터가 존재하지 않는 해석 조건을 기준으로, 스크린 및 필터 형상 설계에 따른 각각의 해석 결과를 정리 비교하였다. 이를 위해 관내 유동 영역, 스크린 영역, 필터 영역은 3D 형상 모델링을 통해 실제 14 인치 스크린 필터 형상을 기반으로 설계하였고, Realizable k-epsilon 난류 모델을 적용하여 관내 유동장 및 압력 분포를 계산하였다. 작동 유체는 Water-liquid (H₂O)로 선정하였으며, 초기 입구 유속은 2 m/s 조건을 기준으로 관내 스크린 및 필터 적용에 따른 유동 해석 연구를 수행하였다. 해석 결과, 관내 스크린 형상 및 필터 적용에 따라 작동 유체의 유속이 스크린 전단에서 감소하며, 동시에 관내 압력이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 관내에 설치된 스크린 필터가 작동 유체의 내부 유동에 대한 접촉 면적을 증가시키고, 이로 인해 유체 저항이 발생하여 관내 유동 속도 감소 및 관내 압력 증가를 야기한 것으로 사료된다. 이러한 결과를 바탕으로, 필터 형상 특성 변경에 따른 관내 유동 현상과 과도한 압력 증가 문제를 개선하기 위한 후속 연구가 수행될 예정이다.
바이오디젤 대체물에 대한 화학반응 메커니즘의 축소가 3D CFD 엔진 시뮬레이션 결과에 미치는 영향
서현규(H. K. Suh),박인강(I. G. Park),서인수(I. S. Seo),임영찬(Y. C. Lim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
본 연구는 바이오디젤 연료 연소 해석 화학반응 메커니즘의 축소가 3D CFD (Computational Fluid Dynamics) 엔진 시뮬레이션에 미치는 영향을 파악하기 위해 수행되었다. 시뮬레이션에 사용된 모델 및 관련 상수는 바이오디젤 연료의 분무에 대한 3D CFD 시뮬레이션을 선행 연구하여 검증되었다. 바이오디젤 연료의 대체물로는 n-Heptane, Methyl Decanoate, Methyl 9-decenoate, 화학종(Species)에 다양한 물리 물성치(Physical Property)를 적용한 혼합물을 사용하였다. 해석에 사용한 축소 메커니즘은 DRG, Peak Concentration 및 Sensitivity Analysis 에 기반한 다양한 축소 방법을 통해 247 개의 화학종과 1,129 개의 반응식(Reaction)만으로 구성되었다. 이를 사용하여 3D CFD 엔진 시뮬레이션을 수행한 결과, 실험 데이터에 비해 점화지연(Ignition Delay) 이전 영역에서 연료의 저온 산화 반응이 높게 나타났으며, LTHR, 점화지연 시기 및 IMEP (Indicated Mean Effective Pressure) 결과에 대한 예측 정확도가 낮았다. 이러한 결과에 대한 원인 분석을 위해 상세 및 축소 메커니즘을 사용한 0D CVC 시뮬레이션을 수행한 결과, 축소 메커니즘은 제거된 반응들의 영향으로 인해 연료의 저온 산화를 제대로 모사하지 못하는 것으로 나타났다. 특히, 압축 행정과 유사한 분위기 조건에서 점화지연 이전에 과도한 연료 저온 산화로 인하여 챔버 온도가 높은 것으로 관찰되었다. 이는 해석에 사용된 메커니즘을 포함하여 많은 연구들에서 축소 메커니즘의 오차율 검증 수단으로 0D CVC 시뮬레이션의 점화지연 결과만을 고려한 것이 원인으로 판단된다. 따라서, 연료의 저온 산화 반응에 대한 주요 반응식의 반응속도 최적화가 동반된 바이오디젤 연료의 축소 메커니즘 개선에 대한 후속 연구가 필요하다고 사료된다.
동일 유효면적의 Honeycomb 형상 변경에 따른 GPF 성능 특성 연구
최주환(J. H. Choi),최기봉(K. B. Choi),서현규(H. K. Suh) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
본 연구는 가솔린 직분사(Gasoline Direct Injection, GDI) 엔진에서 배출되는 입자상 물질(Particulate Matter, PM)의 저감을 위해 GPF (Gasoline Particulate Filter)의 Honeycomb 형상에 따른 Soot 저감성능을 수치해석적으로 연구하는 것을 목표로 하였다. Honeycomb 의 형상은 정사각형 형상을 기준으로 하여 가로의 길이는 2 mm 씩 변경하여 기준이 되는 Honeycomb 형상의 유효면적에 맞게 세로의 길이를 선정하였으며, 모든 조건에서 Honeycomb 형상의 유효면적 15,300 mm²를 유지하였다. GPF 의 Honeycomb 형상 변화가 Soot 포집에 미치는 영향을 확인하기 위해 Glueing Zone 의 두께는 모든 조건에서 2 mm 로 고정하여 두께에 대한 영향은 없도록 하였으며, GPF 에 유입되는 Soot 의 양은 모든 조건에서 동일하도록 설정하였다. GPF 의 Honeycomb 의 형상에 따른 수치해석 결과는 압력 강하(Pressure Drop), 내부 온도 분포도(Inner Temperature Distribution), Soot 포집율(Deposition Rate), 균일도(Uniformity Index)에 대한 특성을 수치해석적으로 비교 분석하였다. 연구 결과, GPF 의 내부 온도는 Honeycomb 형상이 정사각형에 가까울 수록 평균 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었으며, 균일도 또한 1 에 가까운 값을 가졌다. 하지만, 압력 강하와 Soot 포집율은 Honeycomb 형상 변경에 의한 영향은 받지 않은 것으로 나타났다. 이는 동일한 유효면적으로 인하여 Soot 의 포집율이 같으며, 이로 인한 압력 강하 또한 같은 값을 가지는 것으로 판단된다.
복수기세정시스템 재순환 펌프의 코팅 소재에 따른 열해석 연구
정다운(D. W. Jung),김덕회(D. H. Kim),서현규(H. K. Suh) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
해수를 냉각수로 사용하는 발전소에서는 이물질 축적 문제를 해결하기 위해 복수기 튜브 내부를 스펀지 볼로 세척하는 복수기 튜브 클리닝 시스템(CTCS)이 사용되고 있다. 이물질 제거를 위해 사용된 스펀지 볼은 재순환 펌프에 의해 회수되며, 발전소 특성상 고부하조건이나 장시간 작동 시 재순환 펌프의 발열 문제가 발생할 수 있어 CTCS 의 성능 저하와 안정성 문제를 유발한다. 따라서, CTCS 의 안정성 및 성능 향상을 위해 재순환 펌프의 적절한 방열이 요구되고, 최근에는 방열 장치가 적용되는 공간의 제약을 고려하여 방열 시트를 방열 수단으로 선정하고 있다. 본 연구는 CTCS 의 재순환 펌프 발열 문제 개선을 위해 방열 시트에 코팅을 적용하여 방열 효과를 수치해석 하였다. 수치해석을 수행할 모델은 시편 형상의 방열 시트를 Upper Coating 처리하는 형태로 코팅의 두께는 각각 1, 3, 5 mm 으로 구분하였고, 초기 공기 온도 조건은 300 K, 열원의 온도 조건은 473 K 으로 설정하였다. 코팅 재질은 열전도율이 높은 Silver, 가격이 상대적으로 저렴한 Copper, 그리고 최근 방열 소재로 각광받는 Graphene 으로 변경하며 자연대류 상태에서의 방열 해석을 수행하였다. 해석 결과로는 온도 분포(Temperature Distribution)와 온도 균일도(Temperature Uniformity)를 비교 분석하였다.
분말야금 공법을 적용한 Flexible Impeller 펌프 용량별 Core-bush 성형 해석
민세훈(S. M. Min),박영수(Y. S. Park),서현규(H. K. Suh) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
본 연구는 Flexible Impeller 펌프의 용량에 따른 Core-bush 의 생산 시 예측되는 하중 및 응력 분포를 비교 분석하였다. 본 연구에 사용된 Flexible Impeller 펌프의 Core-bush 는 용량에 따라 Types 1 과 2 로 구분하여 적용하였다. 수치해석에서 원소재의 상대밀도는 분말야금 공법을 표현하기 위하여 70%로 설정하여 수치해석을 진행하였으며, 완성품의 부피 및 밀도를 고려하여 원소재의 길이 및 직경을 설정하였다. Flexible Impeller 펌프 용량별 Core-bush 성형해석 결과는 등가 응력(von-Mises Stress) 특성, 하중(Load) 특성, 결육(Under-fill) 특성, 경도(Hardness) 특성을 수치해석적으로 분석하였다. 용량이 큰 Type 1 과 용량이 작은 Type 2 모두 수치해석 결과에서 미충진 부분이 부분적으로 확인되나, 수치해석 프로그램 내 측정 툴을 이용하여 측정한 결과, 모두 공차 0.05 mm 이내로 생산 공정 시 문제가 없는 것으로 확인되었다. 펌프 용량이 큰 Type 1 의 경우 짧은 직경과 긴 길이로 인하여, 상부 금형과 하부금형이 맞닿는 부분인 소재의 상단부와 하단부에 높은 밀도의 영역이 많이 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 펌프 용량이 작은 Type 2 의 경우 큰 직경과 짧은 길이로 인하여 Type 1 에 비해 높은 밀도를 갖는 부분이 상대적으로 균일하게 분포하였다.