유동해석:: 교반기(혼합기) 임펠러의 유동양상 분석을 위한 CFD

CAE 유동해석

 

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교반기(혼합기) 임펠러의 유동양상 분석을 위한 CFD

 

CFD / 유동해석 / 난류모델

안녕하세요, 엔글링크입니다.

 

엔글링크는 CAE 기반 설계검증 전문 업체로 유동해석(CFD), 구조해석을 포함한 다양한 CAE 서비스를 제공하고 있습니다. 

CAE해석 외에 3D모델링, 구조설계, 구조검토, 구조안전진단 등의 서비스도 진행가능하니

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유동해석, 유한요소해석(FEA), 구조해석이 필요하시면 아래를 참고해주세요. 

 

 

오늘 소개해드리는 프로젝트는 교반기의 한 종류인 혼합기 내 임펠러의 유동양상을 분석하기 위한 CFD프로젝트입니다.

교반기는 열을 고루 퍼지게 하거나 재료가 잘 섞이도록 휘젓는 기계를 통칭하는 말입니다.

고객사에서는 교반기 내부의 임펠러가 일정한 속도로 시계방향으로 회전할 때

교반기 내의 유동양상이 어떻게 변화하는지 확인하시고자 CFD를 의뢰하셨습니다.

구체적으로 확인하기를 원하신 내용은 임펠러가 작동할 때의 압력, 유속, 벡터, 유적선이었습니다.

CFD를 통해 고객사에서 요청하신 결과물을 납품하였습니다.  

 

 

 

교반기 3D 모델링

 

 

  

유한요소해석 모델

 

 

 

 

 

해석 모델과 경계조건 선정

 

1. 해석 모델

교반기 내의 유동현상을 분석하기 위하여 RANS방정식을 사용하였으며 난류 모델로는 k-ω SST, Realizable k-ε을 사용했습니다.

 

2. 경계조건

하우징과 임펠러는 Fluid로 설정하였으며, MRF해석을 위해서 Frame motion(고객사의 RPM조건 적용)을 설정하였습니다.

Wall-Housing은 단순 Wall로,  Wall-blade는 Moving wall로 설정하여 Impeller Cell zone 내부에 회전하도록 조건을 부여했습니다.

또한, 2가지 Cell zone 사이의 경계를 interface로 설정하여 유동이 가능하도록 했습니다.

 

 

 

유동해석(CFD) 결과

 

1. 정압 윤곽 (Static Pressure Contour) 

 

         

 

정압(Static pressure)은 우리가 일반적으로 말하는 압력을 의미합니다.

유체역학에서 정압은 유체의 흐름과 평행인 물체의 표면에 수직방향으로 작용하는 힘입니다. 

임펠러가 회전할 때 교반기 내부의 정압 결과를 보면, 기류가 모이는 하우징의 상부에서 가장 압력이 높게 나타남을 확인할 수 있습니다.

또한, 임펠러에서는 블레이드 후면부에서 박리가 발생하여 압력이 낮게 나타남을 알 수 있습니다.

 

 

 

2. 속도 분포

 

속도 윤곽 (Velocity Contour)

 

         

 

유속에 대한 CFD 시뮬레이션 결과 얻어진 속도 분포를 보면,

임펠러의 블레이드에 의해 가속되는 끝단부에서 유속이 가장 높게 나타남을 볼 수 있습니다.

블레이드의 바깥 부분도 좁은 공간으로 인해 유속이 상당히 높게 나타나는 반면에, 하우징 상부는 유속이 낮음을 확인할 수 있습니다.

 

 

속도 벡터(Velocity Vector)

 

           

 

속도 벡터에 대한 해석 결과는 속도 컨투어 해석 결과와 유사한 속도 분포를 보여주고 있습니다.

임펠러 부근에서 반경 방향의 유동은 매우 적게 발생하며, 대부분 접선 방향으로 유동이 발생함을 알 수 있습니다.

벡터 결과를 통해, 하우징 옆면을 따라 상승한 공기가 상부에서 정체되는 현상도 보입니다.

 

        

 

3. 유적선(Pathline)

 

         

 

유적선은 라그랑주(Lagrange) 방법에 따라서 유체 안의 입자의 궤적을 그린 것입니다.

해석 모델의 세로 단면에서 출발한 유적선 결과를 살펴보면, 임펠러 바깥에서 회전하고 있는 경로와

하우징 상부에서 하강하는 경로가 있음을 알 수 있습니다.

 

 

 

4. 임펠러 모멘트 

 

시간해석을 수행하여 임펠러에 가해지는 모멘트 결과를 산출했습니다.

매 시간 단계마다 수렴되는 과정에서 생기는 변동이 발생하고 있으며, 임펠러 초기 가동시 모멘트가 

80Nm까지 상승하고 점차 감소하여 약 37Nm의 모멘트가 가해지는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

 

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