유동해석:: 열교환기 구조안전성 검토를 위한 CFD해석

CAE 유동해석

 

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열교환기 구조안전성 검토를 위한 CFD

 

CFD / 전산유체시뮬레이션 / 열유동해석

 

안녕하세요, 엔글링크입니다.

 

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오늘 소개해드리는 프로젝트는 유한요소법(Finite Element Method)을 사용하여

열교환기 내부의 작동유체 온도가 외기 온도와 차이가 많이 날 때,

발생할 것으로 예측되는 열응력에 대한 열교환기의 구조안전성을 검토하기 위해 진행한 전산유체시뮬레이션(CFD)입니다.

 

 

 

＊이미지는 참고용입니다.

 

Ⅰ. 열교환기 3D 모델링

 

 

            

 

 

 

Ⅱ. 열교환기 유한요소모델 

 

  열교환기는 X-Y평면을 기준으로 대칭이기 때문에 1/2의 유한요소모델을 사용했습니다.

핀튜브 및 파이프에는 6면체 정렬격자를 사용하고 그 외의 파트에는 비정렬 격자를 사용했습니다.

또한, 응력 발생이 예상되는 핀튜브 연결부의 격자는 조밀하게 구성했습니다.

  본 해석에 사용된 유한요소모델은 3,946,335개의 노드와 773,705개의 2차 요소로 구성되었으며,

열해석 및 열응력 해석 값의 정확도를 위해 동일한 격자를 사용했습니다.

  상하부 프레임과 핀튜브 간에는 간섭이 발생하지 않기 때문에 상하부 프레임은 유한요소모델에서 생략했습니다.

 

 

 

 

 

 

Ⅲ. 하중조건 및 경계조건

  

  열해석에 적용된 하중조건 및 경계조건은 고객사에서 제공받은 내용을 적용했습니다.

열교환기 내부로 저온의 작동유체가 유입되어 열교환을 통해 일정한 온도로 작동유체의 온도가 상승되어 배출됩니다.

파이프 입구부터 출구까지 균일하게 온도가 감소하는 조건을 파이프 내부에 적용하였으며,

핀튜브 및 열교환기 외부표면에는 상온(25℃)의 공기와 자연대류 열전달이 발생하도록 적용했습니다.

  핀튜브 간 연결부위는 일체형으로 모델링하고 유체가 흡입되는 유입구 파이프에 고정 구속조건을 부여했습니다.

 

 

1. 하중조건

 

 

 

 

 

 

 

2. 경계조건

 

 

 

 

 

 

 

Ⅳ. 열유동해석(CFD) 결과

 

  고객사로부터 제공받은 자료를 토대로 하중조건 및 경계조건을 적용하여 정적 열해석를 수행하였으며,

정적 열해석 결과로부터 얻은 온도분포를 하중 조건으로 하는 정적 응력해석을 수행했습니다.

해석을 통해 응력 분포, 온도 분포, 변위량을 확인하였으며 세부적인 내용은 아래의 표와 그림으로 정리했습니다.

 

1. 등가응력 분포

 

  열교환기에 대한 열유동해석 결과, 열교환기에서 발생한 등가응력은 모든 평가 부위에서 항복강도보다 낮은 수준으로 발생했습니다. 

또한, 핀튜브 연결부위에서 최대응력이 발생함을 확있했습니다.

 

평가 부분	최대응력(MPa)	온도(℃)[각주:1]	항복강도(MPa)[각주:2]
핀튜브 연결부	97	-30	148.6
상부 U자 튜브	46	-34	148.9
하부 U자 튜브	57	-165	161.5

 

 

 

 

그림1-1. 열교환기 상부 등가응력 분포                              그림1-2. 열교환기 하부 등가응력 분포

 

 

 

   

그림1-3. 핀튜브 연결부 등가응력 분포                           그림1-4. 핀튜브 연결부 상세

 

 

   

그림1-5. 상부 U자 튜브 등가응력 분포                          그림1-6. 상부 U자 튜브 상세

 

 

      

그림1-7. 하부 U자 튜브 등가응력 분포                           그림1-8. 하부 U자 튜브 상세

 

 

 

  

 

2. 온도 분포

 

    

 

그림2-1. 열교환기 상부 온도분포                            그림2-2. 열교환기 상부 온도분포

 

 

3. 변위

 

                

그림3-1. 열교환기 x방향 변위량                           그림3-2. 열교환기 y방향 변위량

 

 

           

 

그림3-3. 열교환기 z방향 변위량                      그림3-4. 열교환기 전체 변위량

 

 

 

 

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