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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김종봉
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수9
이 논문의 연구 히스토리 (5)
2023
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요 약
제 목 : 왕복동 압축기 리드 밸브 시스템의 동적 거동에 대한 연구
냉장고, 정수기, 에어컨 등 가전용으로 사용되는 소형 왕복동 압축기의 경우 밸브 스프링, 밸브 판과 같은 밸브 조절 기구 없이 오직 리드 밸브만으로 유량을 조절하고 압축기의 성능을 결정한다. 따라서 흡입 및 토출 과정에서 리드 밸브 시스템의 동적 거동은 압축기의 성능 및 밸브 피로 파괴를 예측하는데 있어 매우 중요하다. 본 연구에서는 리드 밸브의 정확한 동적 거동을 분석하기 위한 유체 이론식(유효 유동 및 힘 면적)을 개발하였고 개발된 이론식을 활용해 압축기 행정 사이클 해석을 수행, 압축기의 거동 및 성능과 리드 밸브가 충돌하며 발생하는 응력의 경향성을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 FSI 해석 기법을 대체하는 하이브리드 해석 기법이 사용되었다. 하이브리드 해석 기법은 먼저 CFD 프로그램 해석 결과 데이터를 기반으로 유체 이론식을 개발하고 이를 Fortran Code로 변환하여 구조 해석에 적용하는 방법이다. CFD 해석의 경우 상용 해석 소프트웨어인 Ansys-Fluent가, 구조 해석의 경우 상용 소프트웨어인 Abaqus가 사용되었다.
유효 유동 면적 모델은 포트 직경에는 크게 의존하지만 밸브 직경에는 독립적인 것으로 연구되었다. 또한, CFD 해석 결과와 GRG(Generalized Reduced Gradient) 최적화 과정을 수행하여 유효 유동 면적의 유동 계수(Flow Coefficients)인 와 을 도출하였다. 유효 유동 면적 모델을 통해 계산된 유효 유동 면적은 CFD 시뮬레이션을 통해 도출된 유효 유동 면적과 비교했을 때 그 평균 오차율은 약 1.9%로 개발된 유효 유동 면적 모델이 질량 유량을 매우 정확하게 예측함을 확인할 수 있다.
유효 힘 면적 모델은 매우 복잡하고 어려운 수식으로 나타낼 수 있으며 밸브 열림량과 밸브와 포트의 직경비에 매우 의존적이다. 또한, 유효 힘 면적은 밸브 열림량이 작을 때, 즉 밸브가 열린 지 얼마 되지 않은 시점에서는 감소했다가 밸브 열림량이 커지면 함께 증가하는 경향을 보인다.
정규화된 유효 힘 면적 모델은 압력 차이, 밸브 열림량, 포트와 밸브의 직경 등 다양한 변수에 대한 CFD 해석 결과를 기반으로 개발되었다. 유효 힘 면적의 감소 영역은 지수 함수의 형태로, 증가 영역은 로그 함수의 형태로 모델링 되었으며 총 11개의 힘 계수(Force Coefficients)는 유효 유동 면적과 마찬가지로 GRG 최적화 기법으로 결정되었다. 유효 힘 면적 모델의 평균 오차율은 약 2.9%로 밸브에 작용하는 힘을 정확히 예측할 수 있다.
개발된 유효 유동 및 힘 면적 모델을 Fortran Code로 변환하여 압축기 Cycle 해석을 구현한 Abaqus-User Subroutine에 적용했을 때 압축기의 거동을 잘 모사하였고 압축기 성능 및 밸브의 응력 등 복합 물리 현상을 분석하기에 적절한 것으로 사료된다.
제 목 : 왕복동 압축기 리드 밸브 시스템의 동적 거동에 대한 연구
냉장고, 정수기, 에어컨 등 가전용으로 사용되는 소형 왕복동 압축기의 경우 밸브 스프링, 밸브 판과 같은 밸브 조절 기구 없이 오직 리드 밸브만으로 유량을 조절하고 압축기의 성능을 결정한다. 따라서 흡입 및 토출 과정에서 리드 밸브 시스템의 동적 거동은 압축기의 성능 및 밸브 피로 파괴를 예측하는데 있어 매우 중요하다. 본 연구에서는 리드 밸브의 정확한 동적 거동을 분석하기 위한 유체 이론식(유효 유동 및 힘 면적)을 개발하였고 개발된 이론식을 활용해 압축기 행정 사이클 해석을 수행, 압축기의 거동 및 성능과 리드 밸브가 충돌하며 발생하는 응력의 경향성을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 FSI 해석 기법을 대체하는 하이브리드 해석 기법이 사용되었다. 하이브리드 해석 기법은 먼저 CFD 프로그램 해석 결과 데이터를 기반으로 유체 이론식을 개발하고 이를 Fortran Code로 변환하여 구조 해석에 적용하는 방법이다. CFD 해석의 경우 상용 해석 소프트웨어인 Ansys-Fluent가, 구조 해석의 경우 상용 소프트웨어인 Abaqus가 사용되었다.
유효 유동 면적 모델은 포트 직경에는 크게 의존하지만 밸브 직경에는 독립적인 것으로 연구되었다. 또한, CFD 해석 결과와 GRG(Generalized Reduced Gradient) 최적화 과정을 수행하여 유효 유동 면적의 유동 계수(Flow Coefficients)인 와 을 도출하였다. 유효 유동 면적 모델을 통해 계산된 유효 유동 면적은 CFD 시뮬레이션을 통해 도출된 유효 유동 면적과 비교했을 때 그 평균 오차율은 약 1.9%로 개발된 유효 유동 면적 모델이 질량 유량을 매우 정확하게 예측함을 확인할 수 있다.
유효 힘 면적 모델은 매우 복잡하고 어려운 수식으로 나타낼 수 있으며 밸브 열림량과 밸브와 포트의 직경비에 매우 의존적이다. 또한, 유효 힘 면적은 밸브 열림량이 작을 때, 즉 밸브가 열린 지 얼마 되지 않은 시점에서는 감소했다가 밸브 열림량이 커지면 함께 증가하는 경향을 보인다.
정규화된 유효 힘 면적 모델은 압력 차이, 밸브 열림량, 포트와 밸브의 직경 등 다양한 변수에 대한 CFD 해석 결과를 기반으로 개발되었다. 유효 힘 면적의 감소 영역은 지수 함수의 형태로, 증가 영역은 로그 함수의 형태로 모델링 되었으며 총 11개의 힘 계수(Force Coefficients)는 유효 유동 면적과 마찬가지로 GRG 최적화 기법으로 결정되었다. 유효 힘 면적 모델의 평균 오차율은 약 2.9%로 밸브에 작용하는 힘을 정확히 예측할 수 있다.
개발된 유효 유동 및 힘 면적 모델을 Fortran Code로 변환하여 압축기 Cycle 해석을 구현한 Abaqus-User Subroutine에 적용했을 때 압축기의 거동을 잘 모사하였고 압축기 성능 및 밸브의 응력 등 복합 물리 현상을 분석하기에 적절한 것으로 사료된다.
목차
I. 서 론 11.1 연구 배경 11.2 연구 목적 및 절차 4II. 해석 모델 52.1 해석 모델과 이론적 배경 52.2 격자 독립성과 검증 9III. 유효 유동 면적 및 유효 힘 면적 모델과 계수 결정 123.1 유효 유동 면적 123.2 유효 힘 면적 16IV. 압축기 사이클 해석 284.1 압축기 성능 및 거동 분석 284.2 밸브 충격 응력 분석 39V. 결론 45참고문헌 47영문초록(Abstract) 50감사의글 52
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