하이드로사이클론 분리기 설계 방법과 전산유체해석을 통한 성능분석

정남균 한국기계기술학회 2024 한국기계기술학회지 Vol.26 No.3

A cyclone separator is a device that separates solid particles from a fluid using centrifugal force and gravity in its inner chamber. Among cyclone separators, the separator that uses water as a working fluid is called as hydrocyclone separator, which has been developed for the purpose of dehydrating solid mixtures with a proportion of solids floating in liquids greater than 1, such as soil, coal, and cement slurry. In this paper, a hydrocyclone was designed based on the previously proposed design method, and how different the performance is from the targeted value was investigated using the computational fluid dynamics.

Numerical study on the dynamic behavior of multiple rising bubbles using the lattice Boltzmann method

정남균 대한기계학회 2019 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.33 No.11

For numerical analysis of multiphase flow, each interface boundary should be captured, and the geometric deformation of the interface needs to be predicted. To predict the interface, the singular interface model and diffusion interface model can be used. Among them, free energy based lattice Boltzmann method has adopted the diffusion interface model, with which it is easy to simulate complex multiphase flow phenomena such as bubble collapse, droplet collision, and moving contact lines. A new lattice Boltzmann method for the simulation of multiphase flows is described, and test results for the validation are presented. Finally, some simulations were carried out for the investigation of dynamic behavior of multiple rising bubbles.

가스스프링 실린더내의 오리피스 홀을 갖는 피스톤 거동에 관한 연구

정남균 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.12

A gas-spring has been used in many areas and its use is increasing because it can be designed for a range of purposes. In this study, the behavior of a piston with an orifice hole inside the gas-spring cylinder was predicted using computational fluid dynamics (CFD). The piston was designed to reduce the reaction force if the gas-spring is compressed and to move at a low speed when it is returned. The analysis showed that if the initial gas pressure in the gas-spring is increased to a certain level, the speed of the piston would not decrease with time but will remain constant. The effects of orifice hall size on the piston return speed were investigated. Reducing the size of the orifice hole will increase the pressure difference on both sides of the piston, reduce the piston speed, and make it more constant. On the assumption of a constant speed of the piston, a theoretical solution to the return speed of the piston was derived according to the initial gas pressure, and the results for several initial gas pressures were compared with those of CFD. Comparison studies showed similar results for both methods. 가스스프링은 그 사용 목적에 따라 다양한 설계가 가능하여 많은 분야에서 사용되고 있고 그 사용량도 계속하여 증가하고 있다. 본 연구에서는 가스스프링을 압축할 경우 반발력을 감소시키고 피스톤이 복귀할 때 저속으로 복귀할 수 있도록 설계된, 오리피스 홀을 갖는 피스톤의 가스스프링 실린더 내부에서의 거동을 전산유체해석을 이용하여 예측해 보았다. 해석결과 가스스프링 내의 초기 가스압을 일정 수준 이상으로 증가시키면 피스톤의 복귀속도가 시간에 따라 감소하지 않고 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. 오리피스 홀 사이즈가 피스톤 복귀속도에 미치는 영향을 해석을 통해 알아보았다. 오리피스 홀 사이즈를 줄이게 되면 피스톤 양단의 압력 차가 증가하여 피스톤 전진속도가 감소하게 되고 보다 등속으로 운동하게 됨을 알 수 있었다. 마지막으로 피스톤의 속도가 일정하다는 가정에서 초기 가스압에 따른 피스톤의 복귀속도를 이론적인 방법으로 도출하였고, 여러 초기 가스압에 대한 해석 결과와 비교하였다. 비교결과 이론적으로 도출한 해와 해석결과로부터 얻어진 결과 값이 거의 일치함을 알 수 있었다.

압송롤러 드럼베이스의 홀 설계에 따른 페인트 유입양상에 대한 연구

정남균 한국산학기술학회 2020 한국산학기술학회논문지 Vol.21 No.1

Recently, the ministry of environment banned the use of the existing airless method using the spray in painting industrial facilities. Therefore, it is necessary to develop a pressure-roller attached to existing airless painting systems. The hole design of the SUS piping and drum-bases of pressure-rollers currently developed and sold have not been studied in detail, so their efficiency is questionable. In particular, if sufficient paint is not supplied to both ends of the roller, it is necessary to rework with a brush after painting. Therefore, the holes of the drum base need to be distributed so that the paint can flow to both ends of the roller. In this study, numerical analysis was performed to determine the effects of the hole design in the SUS piping and drum-base on the flow patterns of the paint and to suggest more efficient design measures. The analysis results showed that the uniform placement of the holes in the SUS piping is good for the balanced inflow of the paint. For the drum-base, the paint can flow better into both ends of the roller when the holes are concentrated and machined on both ends of the drum-base. 최근 환경부의 강화된 규제로 건축물 아파트 등 산업시설을 도장함에 있어 페인트를 유압에 의해 자동으로 이송시켜 스프레이식으로 도장하는 기존 에어리스 방식의 사용을 금지하였다. 따라서 기존의 에어리스 도장장치에 스프레이 대신 부착하여 사용할 압송롤러개발이 필요한데, 현재 개발되어 판매 중인 압송롤러는 롤러를 구성하는 SUS배관 및 드럼베이스의 홀 설계에 대한 자세한 연구 사례가 없어 그 효율성이 의심이 되는 바이다. 특히, 롤러를 이용한 도장 시 롤러 양단에 페인트가 충분히 공급되지 못하면 도장 후 붓을 이용한 재작업이 필요하게 되므로, 롤러 양단에 페인트가 잘 유입될 수 있도록 드럼베이스 홀을 분포시킬 필요가 있다. 본 연구에서는 SUS배관 및 드럼베이스에 가공되는 홀의 형태가 페인트의 유입양상에 미치는 영향을 알아보고 보다 효율적인 홀 설계 방안을 제시하기 위하여 SUS배관 및 롤러에 대하여 전산유체해석을 수행하였다. 해석결과 SUS배관에서의 홀 배치는 배관에 균일하게 배치하는 것이 균형 있게 페인트를 유입시키기에 좋고, 드럼베이스의 경우는 홀을 드럼베이스 양단에 밀집하여 가공하면 페인트가 롤러 양단에 더 잘 유입시킬 수 있음이 검증되었다.

Lattice Boltzmann approach for the simulation of rarefied gas flow in the slip flow regime

정남균 대한기계학회 2013 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.27 No.6

For rarefied gas flows in micro-devices, the rarefaction effect becomes significant and the slip at the solid wall becomes an important flow feature. The lattice Boltzmann equation (LBE) method has been used to simulate rarefied gas flows in micro-systems and proved its accuracy in capturing rarefied effect. However, the results of previous studies are not in accordance with each other even though they were started from the same governing equation to solve the same problem, and show only qualitative agreements with those of experimental or analytic approaches. The discrepancies of the results come from the boundary condition and the relation between Knudsennumber and relaxation-time. In this work, the best combination of LBE approach, which employs an equilibrium wall boundary condition and a Knudsen-number-relaxation-time relation derived using the viscosity-based mean free path and mean thermal speed, is suggested. The results of the simulations are compared with the analytic solutions. The present 2D results of microchannel and oscillatory shear-driven gas flows are in excellent agreement with the analytical solution. The results of 3D microchannel flow are also compared with the analytic solutions, and are in good agreement.

자유에너지를 기반으로 한 이상유동 격자볼츠만 모델 비교 연구

정남균 한국전산유체공학회 2019 한국전산유체공학회지 Vol.24 No.2

For the design of nuclear facilities, comprehensive understanding for two-phase flow phenomena is needed. Because of limitations of experimental and theoretical approach, numerical analysis has been applied together to identify the mechanism of two-phase flow. For the numerical analysis, the lattice Boltzmann(LB) model for two-phase flow has been remarkably developed as an alternative tool. Especially, free energy based LB models have been showing stable solutions for high density ratio up to 1:1000. Although they are free-energy based models of the same concept, the LB equations used in the models differ. Therefore each method needs to be compared to identify its own characteristic. In this study, the pros and cons of two representative LB models are compared. For the test, moving liquid droplet in the enclosed gas and rising bubble in the heavier fluid are simulated, and the results of two LB models are compared with those of VOF (Volume of Fluid) method.

과립 적체현상을 해결하기위한 유동층장비 전산유동해석

정남균,진홍종 한국산학기술학회 2023 한국산학기술학회논문지 Vol.24 No.1

유동층 반응기에 의하여 과립화된 입자는 분말원료보다 선호되기 때문에, 화장품 및 바이오 산업에서는 과립형성에 유동층 반응기를 자주 이용하고 있다. 그러나, 유동층 반응기는 미립자를 장비 내부에서 유동시키는 과정 중 하부벽면에 입자들이 유동화되지 못한 체 적체되는 현상이 발생하여, 작업자가 장비에 외부에서 충격을 주어 벽면에서 떨어뜨리는 과정을 반복하게 되는데, 이러한 과립물의 적체현상은 제품의 품질 및 생산수율에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 전산유동해석을 이용하여 유동층 장비에 대한 유동 및 입자거동을 예측하고, 유동층 장비의 내부 형상변화가 벽면에서의 과립 적체현상에 미치는 영향을 연구하였다. 유동층 반응기의 하부 벽면에서의 유동의 흐름이 원활하지 않은 것으로 나타났고, 입자들의 움직임 또한 크지 않아 적체될 확률이 클 것으로 예상되었다. 유동정체 영역을 감소시키기 위해용기의 형상을 유선형으로 바꾼 결과 과립의 적체량을 기존 적체량 대비 41%정도로 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.

전산유체해석을 통한 디퓨저타입과 패치타입 제품 이용 시 에센셜 오일의 흡입량 예측

정남균 한국산학기술학회 2022 한국산학기술학회논문지 Vol.23 No.12

Essential oils are effective owing to their antibacterial, antiviral, antifungal, anti-inflammatory, anti-cancer, and antioxidant properties. They are used widely in aromatherapy, application, and food addition to relieve stress. An appropriate amount of essential oil is recommended for use, depending on the method. In the case of diffuser-type products, there is no regulation on the amount of use in development and sales. For the patch-type ones, however, safety should be identified because it is a new way of inhaling. When using patch-type products, it is necessary to estimate the amount of oil inhalation compared to diffuser-type products. In this paper, the amount of oil sucked into the human body using existing diffuser-type and patch-type products was predicted using computational fluid dynamics, and the results were compared. For the patch-type products, the suction amount increased significantly in the beginning and decreased rapidly after 10 minutes. For the diffuser type, the accumulated suction amount was smaller than the patch type in the beginning, but more oil vapor was inhaled after approximately 60 minutes. 에센셜 오일은 항세균, 항바이러스, 항진균, 항염증, 항암작용 및 항산화에 효과가 있어 기분전환 및 스트레스 완화를 위해 아로마향기요법이나 도포 및 식품첨가 등의 방법을 이용하여 많이 사용되고 있다. 에센셜 오일은 사용방법에 따라 적정 사용량이 권장되는데, 시중에 많이 판매되고 있는 디퓨저타입 제품의 경우는 사용량에 대한 규제가 없어 개발 및 판매가 자유로우나 최근 개발되어 판매되는 패치타입은 새로운 흡입방식이라는 인식 때문에 안전성 규명이 요구되는 상황이므로 패치타입의 제품 사용시 기존 제품과 대비하여 오일의 인체 흡입정도를 예측할 필요가 있다. 본 논문에서는 기존의 디퓨저타입과 패치타입의 제품 사용 시 인체에 흡입되는 오일의 양을 전산유체해석을 통해 예측하고 결과를 비교하였다. 비교결과 패치타입 제품의 경우 초반에 흡입량이 크게 증가했다가 10분이 지난 후에 급격히 감소하는 양상을 보였고, 디퓨저타입의 경우는 초반에는 패치타입보다 누적된 흡입량이 작으나 약 60분 정도의 시간이 지난 후부터는 패치타입보다 많은 양의 오일 증기를 흡입하게 되는 것으로 나타났다.

냉각수 유량에 따른 수냉식 히트싱크 방열특성에 관한 연구

정남균 한국에너지학회 2023 에너지공학 Vol.32 No.2

본 연구에서는 스마트팜에서 식물재배용 광원으로 사용되는 LED램프의 방열을 위한 수냉식 히트싱크에 대해, 냉각수의 유입 유량에 따른 방열특성을 알아보았다. 냉각수의 유입량이 증가함에 따라 히트싱크의 최대온도가 초반에 급격히 감소하나, 유입량이 커질수록 완만하게 감소함을 보였다. 동일한 유량에 대하여 직렬연결과 병렬 연결 시 최대온도를 비교하였는데, 히트싱크에서 발생하는 최대온도 관점에서는 병렬로 연결하는 것보다 직렬로 연결하는 쪽이 더 유리함을 알 수 있었다. 10개의 히트싱크를 병렬로 연결한 냉각시스템에 총 1.5kg/s의 냉각수 가 유입되는 경우 각 히트싱크에서 발생하는 최대온도를 예측하였는데, 히트싱크별 최대온도 차이가 0.46% 이 내가 됨을 알 수 있었다.

Rarefied gas flow simulations with TMAC in the slip and the transition flow regime using the lattice Boltzmann method

정남균 대한기계학회 2014 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.28 No.11

The lattice Boltzmann (LB) method has been used to simulate rarefied gas flows in micro-systems as an alternative tool, and shown itsapplication possibility. For the rarefied gas flows, the surface roughness plays an important role for the slip phenomenon at the wall. Ifthe wall surface is sufficiently rough, the reflection of the molecules will be diffuse and the tangential momentum accommodation coefficient(TMAC) is equal to unity. However, it has been known that the reflections are not always fully diffuse. In this study, rarefied gasflows are simulated in the slip and the transition flow regime including the effect of the TMAC. For the simulations, new non-fully diffusewall boundary treatments of the LB method are proposed. The results of 2D and 3D simulations are in excellent agreement with theanalytical solutions for the slip flow regime. The solutions of the linearized Boltzmann equation and DSMC for the transition flow regimeare compared with those of high order LB method with present boundary conditions, and they are in excellent agreement. The tangentialmomentum accommodation coefficient effect is also investigated.