VaRI 공정 유동해석 간소화 방법에 대한 연구

김영민 ( Yeongmin Kim ),이정완 ( Jungwan Lee ),김정수 ( Jungsoo Kim ),안세훈 ( Sehoon Ahn ),오영석 ( Youngseok Oh ),이진우 ( Yi Jin Woo ),김위대 ( Wiedae Kim ),엄문광 ( Moon-kwang Um ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.4

VaRI(Vacuum assisted Resin Infusion) 공정은 공정비용이 저렴하며, 크기가 큰 복합재 제작에 적합한 OoA(Out of Autoclave) 공정이다. VaRI 공정에서는 원할한 수지 주입을 위해 섬유 상단에 유로망을 적층한다. 수지는 이 유로망을 따라 섬유의 면 방향으로 빠르게 공급되고, 공급된 수지는 다시 섬유의 두께방향으로 함침된다. 면방향의 유동과 두께방향의 유동이 동시에 일어나기 때문에 수지의 유동을 예측하기 힘들며, 수지 주입과정을 예측하기 위해 3D 수치해석 프로그램이 사용되고 있다. 하지만, 3D로 해석하기 위해서 섬유와 유로망의 두께방향에 많은 Element가 필요하고, 이로 인해 제품의 크기가 클수록 해석시간이 오래 걸린다. 따라서 본 연구에서는 3D 유동해석을 2D 해석으로 간소화하여 유동해석에 소요되는 시간을 줄이는 방법을 제시하였다. 3D 유동해석과 간소화된 2D 유동해석을 동일조건에서 비교하여 효용성을 검증하였고, 충진시간 오차율은 약 7%, 유동해석시간 감소율은 약 95%로 나타났다. 또한 3D 해석에서 섬유 상, 중, 하단 간의 유동 전진 거리의 차이가 일정하다는 것을 활용하여 간소화된 2D 유동해석에서도 상, 중, 하단의 유동 전진 거리를 예측할 수 있었다. VaRI(Vacuum assisted Resin Infusion) process, which is cost effective and suitable for manufacturing large-sized composites, is an OoA(Out-of Autoclave) process. For rapid resin infusion in the VaRI process, a DM(distribution media) is placed on top of the fabric. The resin is rapidly supplied in plane direction of the fiber along the DM, and then the supplied resin is impregnated in the out-of-plane direction of fiber. It is difficult to predict the flow of resin because the flow of in-plane direction and the out-of-plane direction occur together, and a 3D numerical analysis program is used to simulate the resin infusion process. However, in order to analyze in 3D, many elements are required in the out-of-plane direction of fabric. And the product size is larger, the longer the analysis time needs. Therefore, in this study, a method was suggested to reduce the time required for flow analysis by simplifying the 3D flow analysis to 2D flow analysis. The usefulness was verified by comparing the 3D flow analysis with the simplified 2D flow analysis at the same conditions. The filling time error was about 7% and the reduction of flow analysis time was about 95%. In addition, by utilizing the constant difference in the flow front between the top, middle, and bottom of the fabric of the 3D analysis, the flow front of the top, middle, and bottom of the fabric can be also predicted in the 2D flow analysis.

벨로우즈 신축관이음의 유동-구조 연성해석 및 내진평가

손인수 한국동력기계공학회 2019 동력시스템공학회지 Vol.23 No.6

이 논문에서는 플랜트 분야 및 상하수도에 많이 사용되고 있는 단식 및 복식 벨로우즈 신축관이음의 구조해석, 유동-구조연성해석 및 지진해석을 통하여 구조적 안전성 판단을 수행하였다. 특히, 이 연구에서는 단식 및 복식 벨로우즈형 신축관이음의 해석 결과를 비교 검토하였으며, 주요 결과는 다음과 같다 : 단식 벨로우즈의 경우 구조해석 결과와 비교하여 유동-구조 연성해석으로 얻은 최대 응력은 약 19% 정도 증가하였으며, 복식 벨로우즈는 연성해석 결과가 단순 구조해석 결과에 비하여 응력 값은 약 14% 증가하였다. 유동-구조연성해석 결과 응력의 최대 안전계수는 0.67로 벨로우즈 시스템은 안전함을 확인하였다. 지진하중을 받는 경우 단식 벨로우즈의 경우 최대 변형은 약 5%, 복식 벨로우즈의 경우 약 14.8% 정도 각각 증가하였다. 또한 내진해석 결과 단식 벨로우즈의 최대 응력은 일반구조해석 결과와 비교하여 약 6%, 복식 벨로우즈는 약 7.2% 정도 증가하였다. 내진해석 결과, 최대 안전계수는 복식 벨로우즈에서 나타났으며 약 0.63으로 구조적으로 안전하였다.

유동-구조 연성해석기법을 이용한 풍하중이 관절형 컨테이너 크레인에 미치는 영향에 관한 연구

안태원(Tae-Won An),이성욱(Seong-Wook Lee),한동섭(Dong-Seop Han),김태형(Tae-Hyung Kime),한근조(Geun-Jo Han) 한국항해항만학회 2008 한국항해항만학회지 Vol.32 No.1

컨테이너 크레인의 설계 시 적용되는 하중 조건 중에서 풍하중이 가장 중요하게 고려되어지는바, 본 연구는 75m/s의 풍하중이 컨테이너 크레인에 작용 할 때 컨테이너 크레인의 구조적 안정성에 미치는 영향을 보다 정확하게 예측하기 위하여 유동-구조 연성해석을 실시하였다. 컨테이너 크레인에 작용하는 실제 유동현상을 고려하기 위하여 먼저 전산유동해석을 실시하였으며, 이를 통해서 얻어진 풍하중을 구조해석의 하중조건으로 적용하는 유동-구조 연성해석을 통하여 컨테이너 크레인 각 지지점에서의 반력을 도출하고 그 결과를 분석하였다. 사용된 모델은 주변 환경으로 인하여 컨테이너 크레인의 최대 고도가 제한 될 경우 사용되는 관절형 컨테이너 크레인이며 전산유동해석 및 유동-구조 연성해석 프로그램으로는 ANSYS ICEM CFD 10.0과 ANSYS CFX 10.0을 사용하였다. This study was carried out to the effect of wind load on the structural stability of an articulated type container crane according to the wind direction assuming that 75m/s wind velocity is applied on a container crane using FSI(fluid-structural interaction). To consider fluid phenomenon around the container crane, the wind load was derived by the computation fluid dynamic, and it applied to the FSI which can guarantee an accuracy and a reliability in the design stage for wind resistant structural stability to minimize the damage due to high wind load applied in a container crane with a 'ㄱ' type articulated boom which used in the total height restriction region. Following from this, the reaction force on the each support of a container crane was suggested. ANSYS ICEM CFD 10.0 and ANSYS CFX 10.0 used for computation fluid dynamic, and the ANSYS Workbench 11.0 was used for the fluid-structural interaction.

CFD/DSMC 혼합해석기법을 이용한 축대칭 천이영역 유동 해석

최영재(Young-Jae Choi),권오준(Oh-Joon Kwon) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.3

본 연구에서는 희박기체 환경의 유동 정보를 효과적으로 계산하기 위해 CFD 해석기법과 DSMC 해석기법 간 연계 해석을 수행하는 CFD/DSMC 혼합해석기법을 개발하였으며, 개발된 해석기법을 이용하여 천이영역에서의 고속 비행체 주위 유동에 대한 해석을 수행하였다. 해석 형상으로는 콘과 실린더 형태로 이루어진 FRESH-FX 형상으로 고려하였고, 혼합해석기법의 결과는 순수 CFD 및 DSMC 해석 결과와 비교하였다. 천이영역의 대기가 상대적으로 희박하여 초음속 유동에서 발생하는 충격파의 구배 및 세기가 약화된 것을 확인하였다. 순수 CFD 해석 결과와는 차이를 보였고, 순수 DSMC 해석 결과와 거의 일치하는 결과를 도출하는 것을 확인하였다. 또한, 순수 DSMC 계산시간보다 해석 시간이 감소하였다. 이를 통해 혼합해석기법의 결과에 대한 신뢰성 및 해석 시간에서의 효율을 확인하였다. In the present study, a CFD/DSMC hybrid method performed by a coupled analysis between the CFD method and the DSMC method was developed to obtain the flow information on the rarefied gas flows effectively. Flow simulations around the high speed vehicles on the transition flow regimes were conducted by using the developed method. The FRESH-FX vehicle made of cone and cylinder shapes was considered for the simulations. The results of the hybrid method were compared with the results of the pure CFD and the pure DSMC method to confirm the reliability and efficiency of the hybrid method. It was found that the gradient and the intensity of the shock waves were weakened due to the relatively low density on the transition flow regime. It was confirmed that the results of the hybrid analysis were different to those of the pure CFD analysis and almost identical to those of the pure DSMC analysis. In addition, the computational time of the hybrid method was reduced than that of the pure DSMC method. As a result, it was obtained that the validity and the efficiency of the CFD/DSMC hybrid method.

화재 열 유동을 고려한 구조물의 열응력해석

박홍락,강준원,이진우 한국전산구조공학회 2016 한국전산구조공학회논문집 Vol.29 No.4

이 연구는 화재에 노출된 구조물의 역학적 거동을 평가하기 위한 기반연구로서 화재 유동해석과 열응력해석의 통합 프레 임워크를 확립하고 이를 강재와 콘크리트로 이루어진 대표체적에 적용한 결과를 제시하였다. 먼저 Fire Dynamics Simulator(FDS)를 이용해 임의의 화재곡선으로 모델링되는 화원으로부터 구조물 표면까지 유동해석을 실시하였다. 이를 통 해 구조물 표면에서 시간에 따른 온도 분포를 계산하였고, 이 결과를 비선형 열응력해석에 경계조건으로 적용하였다. 이후의 과정은 화재의 성장 또는 감소에 따라 구조물 표면온도의 변화를 반영하는 열전달해석과 구조해석으로 이루어진다. 제시한 통합 프레임워크에 의해 화재 구조해석을 수행한 결과, 강재와 콘크리트의 대표체적 모두 동일한 하중이 작용할 때 상온 조 건에서는 탄성 거동을 보였지만 화재로 인한 온도 조건을 고려할 경우 소성 거동을 보였다. 이는 구조물이 화재에 노출되는 경우 설계하중보다 작은 하중에서도 한계상태에 이를 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 원전구조물이나 교량과 같은 중요 사회기반구조물의 설계 시 구조물의 화재거동 평가가 고려되어야 한다고 할 수 있다. In this study, a numerical analysis framework for investigating the nonlinear behavior of structures under fire conditions is presented. In particular, analysis procedure combining fire-driven flow simulation and thermo-mechanical analysis is discussed to investigate the mechanical behavior of fire-exposed representative volume structures made of steel and concrete, respectively. First of all, fire-driven flow analysis is conducted using Fire Dynamics Simulator(FDS) in a rectangular parallelepiped domain containing the structure. The FDS simulation yields the time history of temperature on the surface of the structure under fire conditions. Second, mechanical responses of the fire-exposed structure with respect to prescribed uniformly distributed loads are calculated by a coupled thermo-mechanical analysis using the time-varying surface temperature as boundary conditions. Material nonlinearities of steel and concrete have been considered in the thermo-mechanical analysis. A series of numerical results are presented to demonstrate the feasibility of the multiphysics structural fire analysis for investigating the structural behavior under fire conditions.

중형 고추 수확기의 풍구 유동해석

김규봉 ( Kyu Bong Kim ),이명희 ( Myung Hee Lee ),강영선 ( Young Sun Kang ),신서용 ( Seo Yong Shin ),김수빈 ( Su Bin Kim ),김대철 ( Dae Cheol Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

고추는 양념채소 중 우리나라 김치문화의 대표적인 조미료 원료로써 국내 양념채소 점유율의 22%를 차지하는 매우 중요한 작물이다. 또한 고추는 많은 음식의 주 양념으로 사용되고 있기 때문에 우리나라에서 없어서는 안 될 중요 양념채소이다. 그러나 국내 고추시장은 농촌 노동력감소, 노령화로 인한 인건비 상승, 작은 영농규모, 사계절이 뚜렷한 기후조건 등 어려운 여건 때문에 매우 감소되고 있다. 이 현상이 지속 된다면 국내 고추 시장의 규모는 작아지고 수입에 의존하는 현상이 발생할 수 있다. 이에 T사는 국내 소규모 농가에 맞춘 중형 고추수확기를 개발 중에 있다. 현재 개발 중인 수확기계로 수확 시 수집부에 다량의 줄기, 잎이 유입되어 수확 후 추가 노동력이 발생되는 상황이다. 이에 선별능력을 향상시켜 노동력을 감소시킬 필요가 있다. 따라서 본 연구는 고추수확기 선별부의 적합한 풍구 구조를 설계하기 위해 유체 유동해석을 수행하였고, 이를 통해 유체의 흐름을 분석하였다. 본 연구에 고추수확기의 3차원 설계에는 Pro-E 프로그램을 이용하여 설계하였으며, 유체 유동 해석은 Ansys Fluent를 이용하였다. 해석을 위하여 선별부 유동장 형상을 Nodes 443076개, Elements 299,900개로 구성하였으며, 유체는 공기, 흐름은 난류로 설정하였다. Inlet은 풍구의 입구로 설정하였으며, outlet은 풍구의 출구와 마주보는 면으로 설정하였다. 풍구 출구의 풍속 실측 실험은 풍구의 폭을 3등분하고 각 부분에서 5cm 이격하여 측정하였다. 실측 실험 장치에서 풍속은 좌측 18~19m/s, 중앙 22~23m/s, 우측 18~19m/s 측정되었다. 유체 유동해석에서 풍속은 좌측 15~16m/s, 중앙 23~24m/s, 우측 15~16m/s의 해석 되었다. 실측 장치를 통한 실험과 유체 유동해석의 결과 값이 유사하여 해석의 타당성을 확인하였다. 실험을 바탕으로 선별가이드를 추가하여 해석을 진행하였으며, 풍구 출구의 유동을 확인하였다. 선별능력 향상을 위한 최적 설계를 위하여 선별가이드와 풍구의 거리, 각도를 조정하여 추가 해석을 해볼 필요성이 있다. 본 해석은 임펠러가 없이 간단한 형상으로 진행되었다. 차후 연구에는 보다 정확한 결과를 위해 임펠러를 부착한 추가연구가 필요할 것으로 판단된다.

추진기관 노즐의 2차원 열-유동-다물체 동역학 연동 해석

은원종,김재원,곽준영,신상준,권오준,Oliver A. Bauchau 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

다양한 구성품으로 이루어진 추진기관의 노즐 구조물에서는 고온 고속상태의 복잡한 유동현상과 비선형 거동이 나타난다. 이러한 현상을 정확하게 예측하기 위해서는 유동해석과 다물체 구조해석의 연계해석이 필요하다. 본 논문에서는 노즐의 다양한 구성품들은 다물체 구조물로 모델링하였고, 2 차원 노즐의 내부에서 정상 유동 해석을 통하여 노즐 구성품에 작용하는 열 및 압력하중을 계산하였다. 유동 해석의 압력하중 결과를 유연 다물체 동역학 해석 프로그램인 DYMORE 에 적용하여 정상상태 유체-다물체 동역학 연동 해석을 수행하였다. 이와 같은 일방향 연동해석에서 발생하는 변위는 유한요소 해석 프로그램인 MSC.NASTRAN 해석 결과와 비교하여 검증하였다. In order to predict complex behavior of an engine nozzle, coupling analysis is generally required between fluid and multibody dynamics. In this paper, various components in the nozzle were modeled as flexible multibody components. Then temperature and pressure on the nozzle wall were predicted by the steady-state flow analysis for the two-dimensional nozzle. Steady-state multibody dynamics analysis was then performed by using DYMORE. Deflection induced at the nozzle wall was obtained by the present one-way coupling analysis. Finally the resulting deflections were compared with the static structural analysis results using MSC.NASTRAN.

한국형발사체를 기반으로 한 로켓 노즐의 동결 및 평형 유동 해석 결과에 따른 성능 특성

문태석(Tae Seok Moon),김한솔(Han Sol Kim),허환일(Hwanil Huh) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.3

한국형발사체 1단 노즐을 기반으로 설계한 로켓 노즐의 성능 특성을 비교하기 위해 동결 유동 및 평형 유동 해석 방법을 활용하여 연소 가스 수치 해석을 수행하였다. 해석은 이전의 선행 연구에서 활용한 8 화학종 기반의 연소 가스 물성치를 활용하였고, 난류 모델은 k-ω SST로 선정하였다. 해석 결과, 동결 유동 조건으로 해석된 결과 값이 평형 유동 조건에 비해 노즐 내 과대 팽창 현상이 더 발달되었고, 이로 인해 해수면에서의 노즐 성능이 낮게 나타남을 알 수 있었다. 동 결과는 기존의 선행 연구에서 동결 유동 해석을 통해 도출한 결과보다 평형 유동 해석 수행 시 더 우수한 성능을 얻을 수 있는 것을 보여주었기 때문에 고도 보정 노즐의 가능성을 제시하는데 의미를 더할 수 있을 것이라 판단된다. In order to compare the performance characteristics of the rocket nozzle design that is based on the first-stage engine of the Korea space launch vehicle (KSLV-II) currently in development, the numerical analysis of the combustion gas was performed using the frozen flow and equilibrium flow analysis methods. For the analysis, eight species-based combustion gas properties were used, and the turbulence model selected was the k-ω SST model. Because of the frozen flow condition, the over-expansion phenomenon in the nozzle was more developed than the equilibrium flow condition. The results of our study demonstrated that the nozzle performance was lower at sea level. Considering the results derived from this study, it may be meaningful to suggest the use of the altitude compensation nozzle when applying the equilibrium flow analysis method to previous research works on this topic.

군용 차량 PM-NOx 동시 저감 장치의 배기가스 열유동 특성 해석

이준용(Junyong Lee),허형석(Hyungseok Heo),오광철(Kwang Chul Oh),박현대(Hyeondae Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

현재 국방부에서 사용중인 군용 표준전술차량은 6~70년대의 설계를 바탕으로 생산, 운영함에 따라 과다한 배기가스의 발생으로 인해 대기 환경오염의 우려가 있으며, 국군 장병들의 폐기능에 심각한 영향을 줄 뿐만 아니라 부대 인근 민가까지 직접적인 피해를 끼치고 있는 상황이다. 이러한 군용 차량에 적용 가능한 PM-NOx 저감 기술을 개발하여 국가적 차원의 대기환경 개선 및 미세먼지 저감에 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 기존 군용차량 배기시스템에 부재한 배기가스 저감 장치를 장착하여 차량 출력에 영향을 줄 수 있는 배기가스 유동 저항(압력 손실) 과 같은 배압 특성과 저감 장치 성능에 영향을 주는 유동 균일도에 대해서 고찰하였다. 대상 차량은 K711 차량으로 배기 시스템은 Fig.1과 같이 배기가스 상류 측부터 버너, DOC, DPF, SCR 순으로 구성되어 있으며, 버너 전단에 배기가스 바이패스 밸브가 장착되어 있다. 장착 공간상 배기 시스템을 컴팩트화 하기 위하여 DOC, DPF모듈과 SCR을 나란히 배치하고 DPF 후단과 SCR 전단을 배기 파이프로 연결하였으며, 연결 배기 파이프 내부에는 배기가스 유동 균일도 향상을 위한 믹서(Mixer)를 장착하였다. 촉매 내부의 수많은 채널(channel)의 유동을 고려하여 계산하는 것은 하드웨어의 제한으로 쉽지 않기 때문에 필터를 압력 손실이 큰 다공성 물질로 가정하여 해석하는 것이 일반적이므로 CFD의 Porous Media 해석 기법을 이용하였다. 전체 시스템에서의 배기가스 배압 특성을 고찰하기 위하여 각 촉매의 배기 유량에 따른 유동 저항 실험 데이터와 이를 반영한 CFD 해석 결과를 비교하였다. DPF로 유입되는 유량을 제어하기 위한 바이패스 밸브는 완전 닫힘 상태가 되더라도 배기 플랩과 배기관 사이의 간극 0.45mm에서 누설이 발생하기 때문에 배기가스 유량에 따라 누설되는 유량을 검토하기 위한 해석을 진행하였다. 고유량으로 갈수록 누설되는 유량은 증가하나 압력 손실이 상대적으로 작은 쪽으로 흐르는 유체 특성으로 인해 배기 유량이 증가할수록 누설율은 감소하는 것으로 나타났다. 배기 시스템에서 버너와 각 촉매로 유입되는 전단의 배기가스 온도분포와 유동 균일도는 버너 위치 선정의 적정성, 촉매의 성능 등에 미치는 영향이 크기 때문에 CFD 열유동 해석을 통해 유동 균일도를 정량화, 가시화하여 비교분석 하였다. 배기가스 입구 유량 1225kg/h, 입구온도 540℃ 조건에서 버너전단의 배기가스 평균온도는 532℃에서 SCR 전단 491℃로 41℃ 감소하였다. 각 촉매 전단의 유동 균일도는 전부 0.97 이상으로 매우 균일하나 버너 전단에서는 배기 유로 구조상 유동이 다소 불균일하여 유동 균일도는 0.556 정도로 나타났다. 〈그림 본문 참조〉

2 차원 제트 엔진 가변 노즐 형상에 대한 열-유동-유연 다물체 연동 해석

은원종,김재원,신상준,권오준,Olivier A. Bauchau 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

다양한 구성품으로 이루어진 추진기관의 노즐 구조물에서는 고온 고속상태의 복잡한 유동현상과 비선형 거동이 발생한다. 이러한 현상을 정확하게 예측하기 위해서는 유동해석과 다물체 구조해석의 연계해석이 필요하다. 본 논문에서는 노즐의 다양한 구성품들은 다물체 구조물로 모델링하였고, 2차원 노즐의 내부에서 정상 유동 해석을 통하여 노즐 구성품에 작용하는 열 및 압력하중을 계산하였다. 유동 해석의 압력하중 결과를 유연 다물체 동역학 해석 프로그램인 DYMORE에 적용하여 정상상태 유동-다물체 동역학 연동 해석을 수행하였다. 특허 형상의 2차원 노즐에 대하여, 단방향 및 양방향 연동해석을 수행하여 기계적 변형률을 계산하고. MSC.NASTRAN의 열해석을 통한 열 변형률 결과를 합산하여 전체 변형률에 대한 결과를 확인하였다. In order to analyze complex behavior of an engine nozzle, coupled analysis will be generally required between fluid and multibody dynamics. In this paper, various components in the nozzle were modeled as flexible multibody components. Then temperature and pressure on the nozzle wall were predicted by the steady-state CFD flow analysis for the two-dimensional nozzle. Nonlinear multibody dynamic analysis was performed by using DYMORE. For the coupled analysis, the two-dimensional patent nozzle configurations were selected. And, then the one-way and both-way coupled analysis was performed. Heat conduction and thermal analysis were also conducted by MSC.NASTRAN. Finally, total strain results were obtained as a summation of the mechanical and thermal strain components.