KR102323792B1 - 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치 - Google Patents

Abstract

본 기술은 2개의 회전 영역과 1개의 비회전 영역으로 이루어진 의료용 2단 원심 블로워에서 임펠러의 유동 흐름에 대한 수학적 모델링을 도출할 수 있도록 한 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치가 개시된다. 본 발명에 따르면, 설계 변수를 가지는 임펠러의 회전 영역과 비회전 영역에 대해 비정렬격자인 사면체 격자의 계산 격자를 구성하여 각 격자의 지배 방정식을 전산 유체 해석에 따른 회전 좌표계의 MFR 기법을 이용하여 유동 변환하여 운동량 방정식을 도출하고 도출된 운동량 방정식을 이산화한 후 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 난류 유동을 해석하여 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정함에 따라, 성능 및 효율이 최적화된 2단 원심 블로워를 제조할 수 있게 된다.

Description

2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치{SIMULATING APPARATUS FOR IMPELLER OF 2 STEP RADIAL BLOWER}

본 발명은 의료용 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2개의 회전 영역과 1개의 비회전 영역으로 이루어진 의료용 2단 원심 블로워에서 임펠러의 유동 흐름에 대한 수학적 모델링을 도출할 수 있도록 한 장치에 관한 것이다.

송풍기는 임펠러를 회전시켜 공기를 이송시키는 기계로, 공기입구와 공기출구의 압력비가 1.1미만인 것을 팬(fan)이라 하고 압력비가 1.1 이상 2.0미만인 것을 블로워(blower)라고 하는데, 이 팬과 블로워를 통상적으로 송풍기라고 한다.

블로워는 공기의 이송방향과 임펠러의 축이 이루는 각도에 따라 와류형 블로워와 축류형 블로워로 구분된다. 와류형 블로워는 공기가 임펠러의 반경방향으로 이송되는 송풍기이고, 축류형 블로워는 공기가 임펠러의 축방향과 같은 방향으로 이송되는 송풍기이다.

종래의 와류형 블로워(blower)는 임펠러를 방사형상으로 형성되는 것이 일반적이었다. 그러나, 와류형 블로워는 소형이고 높은 풍압이 얻어지는 특징을 가지며, 또 이 특징을 살리기 위해 종래 여러가지 제안이나 검토가 이루어지고 있다.

와류형 블로워는 상기 모터에 전원이 인가되면, 스테이터와 로터의 전자기적인 상호작용에 의해 회전축이 회전하게 되고, 회전에 연결되어 있는 임펠러가 고속으로 회전하게 된다. 회전하는 임펠러는 흡기구 전방의 공기를 커버의 내부로 끌어당기게 된다. 따라서, 커버 전방의 공기는 커버의 흡기구 및 임펠러의 공기입구를 통해 임펠러 내부로 흡입된다. 1단 임펠러 내부로 흡입된 공기는 임펠러 내부에 복수의 블레이드에 의해 형성된 복수의 유동 채널을 통과하여 유동채널 끝에 형성되어 있는 2단 임펠러는 제1단 임펠러에 의해 토출된 공기를 토출구로 강제로 끌어당기게 되어 토출구를 통해 배출된다.

그리고, 이렇게 임펠러의 중앙에서 방사형으로 배출되는 공기는 디퓨저베인을 통과하여 디퓨저베인과 커버 사이의 공간으로 압송되며, 압송된 공기는 가이드 베인에 의해 모터 측으로 안내되고. 가이드 베인에 의해 안내된 공기는 2단 임펠러에 의해 토출구로 끌어당기게 된다.

그런데, 이러한 종래 2단 와류형 블로워의 제1단 임펠러 및 제2단 임펠러는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 동채널을 통과할 때 나선형의 불균일한 유동을 보이게 된다. 따라서, 가이드베인 안쪽 벽면의 유동 채널을 통과하는 공기가 유동채널 전체에 걸쳐 고르게 분포되어 있으나, 바깥 벽면에는 2차 유동과 함께 난류가 발생하는 현상을 나타낸다.

상기 가이드 베인의 바깥 벽면에서 발생하는 난류 유동은 2단 임펠러의 볼류트 반경이 최대가 되는 지점에서 두드러지게 나타나며, 이러한 난류 유동은 공기의 유동손실이 발생되어 블로워의 효율이 떨어지게 되고, 공기의 난류 유동은 소음을 발생하게 된다.

그러나 기존의 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 얻기 힘들다는 한계가 존재하는 바, 이러한 한계점은 실시간으로 블로워의 유동 역학 컴퓨터 시뮬레이션 해석이 불가능하다

따라서, 상기 한계점을 극복하기 위해 실시간으로 블로워의 난류 유동를 모니터링 할 수 있는 블로워 난류 유동에 대한 수학적 모델링이 필요하고 그에 적합한 시뮬레이션 알고리즘을 개발하여야 하였다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 블로워의 제조 이전에 1단 임펠러의 압력면에서 발생하는 혼합 가스의 난류 유동과 2단 임펠러의 볼류트에서 발생하는 혼합 가스의 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 도출하고 도출된 수학적 모델링을 통해 블로워에 대한 시뮬레이션을 실행한 후 시뮬레이션 결과에 따른 블로워를 제작함에 따라. 각 임펠러의 혼합 가스가 정압으로 형성되어 소용돌이 및 정재된 내부 흐름에 대한 난류를 근본적으로 방지하여 블로워의 성능을 근본적으로 향상시킬 수 있고 소음을 제거할 수 있는 2단 원심 블로워용 임펠러의 난류 유동 모델링 장치를 제공하고자 함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치는,

모터의 회전력을 회전하여 외부의 혼합 가스를 인렛(lnlet)을 통해 흡입하여 아웃렛(outlet)을 통해 배출하기 위해 소정 수의 회전 영역에 각각 배치되는 볼로워의 내부 유동을 해석하는 2단 원심형의 난류 유동 모델링 장치에 있어서,

설계 변수로 설정된 아웃렛의 위치, 반경, 및 임펠러의 폭을 도출하는 설계 변수 도출부와,

상기 설계 변수 도출부의 각 설계 변수에 대한 전산 유체 해석을 실행하기 위해 2단 임펠러, 케이스, 및 블루트를 세 블록으로 분할하여 대수적인 방법으로 소정 수의 계산 격자를 구성하는 격자 생성부와,

각 격자에 대해 표준 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 통해 임펠러에 대한 수학적 모델링을 설정하여 유량 계수 및 압력 계수를 도출하는 유동 모델링 도출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치는,

상기 유동 모델링 도출부에서 도출된 유동 모델링에 대한 타당성을 검증하기 위해 상기 수학적 모델링을 통해 도출된 유동 계수 및 압력 계수를 실측 결과를 비교하는 검증부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 유동 모델링 도출부는,

각 격자의 지배 방정식을 전산 유체 해석에 따른 회전 좌표계의 MFR 기법을 이용하여 유동 변환하여 운동량 방정식을 도출하는 운동량 방정식 도출 모듈과,

도출된 운동량 방정식을 이산화하는 이산화 연산 모듈과

상기 이산화 생성부의 운동량 방정식을 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하는 난류 유동 모델링 생성 모듈을 포함하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 k-ω SST(Shear-Stress Transport)는

상기 격자 생성부에서 생성된 다수의 격자 중 외부의 격자에서 SKE(Standard k-ε)를 통해 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하고,

벽면의 격자에 대해 SKW(Standard k-ε)로 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정한 후

상기 외부 격자의 난류 유동와 벽면 격자의 난류 유동의 결합으로 총 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 회전 영역과 비회전 영역에 대해 비정렬격자인 사면체 격자의 계산 격자를 구성하여 각 격자의 지배 방정식을 전산 유체 해석에 따른 회전 좌표계의 MFR 기법을 이용하여 유동 변환하여 운동량 방정식을 도출하고 도출된 운동량 방정식을 이산화한 후 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 난류 유동을 해석하여 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정함에 따라, 성능 및 효율이 최적화된 2단 원심 블로워를 제조할 수 있는 효과를 얻는다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1 및 도 2는 일반적인 2단 원심 임펠러의 난류 유동을 보인 예시도들이다.
도 3은 본 발명의 실시 예가 적용되는 2단 원심 블로워를 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치의 구성을 보인 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치의 유동 모델링 도출부의 구성을 보인 도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 잇점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시 예가 적용되는 2단 원심 블로워용 임펠러의 구성을 보인 단면도이고, 이에 도시된 바와 같이, 임펠러(2), 블레이트(3) 및 블루트(4)를 포함하는 스크롤(4)으로 구비된다. 즉, 전체적으로 원통형상으로 형성되는 본체(5)에 대해, 평편한 일측면에 형성된 인입부로 인입된 기체가 원주면 일측으로 형성된 유출부로 유출되도록 하는 2단 원심 블로워(1)는, 원통형 본체(5)의 중앙 부분 일측에 형성된 축을 중심으로 하여 회전되는 임펠러(2)를 구비하였다. 이때 임펠러(2)는 다수의 날개인 블레이드(3)가 형성되어 강한 흡입력으로 기체를 빨아들여 배출하도록 하고 있다. 그리고 스크롤(4)은 임펠러(2)로부터 유출된 기체를 모아서 스크롤(4)의 아웃렛으로 보내는 역할을 하며, 그 형상은 기 정의된 지수함수로 나타낼 수 있다. 이때 지수함수가 증가함에 따라 스크롤 확장각에 의한 유동 단면적이 증가하게 되고, 그 결과 스크롤 내부를 지나는 유동 속도 에너지는 압력에너지로 바뀌게 된다. 임펠러(2)와 스크롤(4)과의 간극이 가장 좁은 곳을 블루트(6)라 하며, 스크롤(4)은 블루트(6)의 원주방향위치에서의 임펠러(2)와 간격을 기준으로 설치된다. 본 발명의 실시 예에서, 기 정의된 지수 함수를 통해 다수의 설계 변수를 설정하는 일련의 과정은 널리 알려진 공지의 기술이므로 이에 대한 구체적은 설명은 생략한다.

이와 같이 형성되는 2단 원심 블로워(1)의 임펠러(2)는 블레이드(3)가 형성된 부분의 크기가 설계 변수인 내측반경(d1), 외측반경(d2) 그리고 폭(b) 등의 구성 요소에 의해 형성된다. 즉 2단 원심 블로워(1)는 입체형상의 일측면으로 흡입되는 유체가 원주면을 따라 회동된 후 일측으로 유출되는 유동장 흐름을 나타내고 있다.

이와 같이 구비되는 2단 원심 블로워 (1)는 전산 유체 해석에 사용되는 회전 좌표계의 MFR 기법에 따른 유동 해석기법 및 난류 모델링과 물리적 혹은 수치적 실험을 통하여 도출된 결과들을 이용하는 일련의 수리통계적 기법을 바탕으로 하는 수치최적설계기법에 의하여 구비한 것이다.

즉, 상기 임펠러(2) 내에서의 주 흐름의 운동량 변화, 스크롤(4)의 형상이 설부(6)에서 유동단면적이 가장 좁고 원주방향을 따라 진행하면서 점차 유동단면적이 증가하는 비대칭적인 기하학적 형상으로 인해 임펠러의 원주방향에 따른 유동의 비대칭성, 스크롤(4)과 임펠러(2)와의 간격이 가장 좁은 부분인 블루트(6) 주위의 매우 큰 압력 구배 그리고 스크롤(4) 내부에서의 강한 삼차원 유동 등에 의해 검출되는 요소들에 의해 2단 원심 블로워의 형태를 결정할 수 있다.

따라서 상기와 같은 수치최적설계기법에 의한 2단 원심 블로워(1)의 요소 검출 방법에 의해 검출된 요소인 임펠러(2)의 폭, 블루트(6)의 반경 및 위치 등 기하학적 형상 요소에 의해 본 발명의 실시 예가 적용되는 2단 원심 블로워(1)가 설계된다.본 발명의 실시 예에서, 기 정의된 지수 함수를 통해 다수의 설계 변수를 설정하는 일련의 과정은 널리 알려진 공지의 기술이므로 이에 대한 구체적은 설명은 생략한다.

이와 같이 형성되는 2단 원심 블로워(1)의 임펠러(140)(145)는 블레이드(143)가 형성된 부분의 크기가 설계 변수인 내측반경(d1), 외측반경(d2) 그리고 폭(b) 등의 구성 요소에 의해 형성된다.

즉 2단 원심 블로워(1)는 입체형상의 일측면으로 흡입되는 유체가 원주면을 따라 회동된 후 일측으로 유출되는 유동장 흐름을 나타내고 있다.

이와 같이 구비되는 2단 원심 블로워는 전산 유체 해석에 사용되는 회전 좌표계의 MFR 기법에 따른 유동 해석기법 및 난류 모델링과 물리적 혹은 수치적 실험을 통하여 도출된 결과들을 이용하는 일련의 수리통계적 기법을 바탕으로 하는 수치최적설계기법에 의하여 구비한 것이다.

즉, 상기 임펠러(140)(145) 내에서의 주 흐름의 운동량 변화, 유동단면적이 가장 좁고 원주방향을 따라 진행하면서 점차 유동단면적이 증가하는 비대칭적인 기하학적 형상으로 인해 임펠러의 원주방향에 따른 유동의 비대칭성, 임펠러(140)(145)와의 간격이 가장 좁은 부분의 매우 큰 압력 구배 그리고 내부에서의 강한 삼차원 유동 등에 의해 검출되는 요소들에 의해 2단 원심 블로워의 형태를 결정할 수 있다.

따라서, 실제 2단 원심 블로워를 실제 제작 이전에 설정된 설계 변수와 기 정해진 수학적 모델링을 토대로 임펠러의 난류 유동에 대한 시뮬레이션을 실행하고 실행된 난류 유동에 대한 시뮬레이션의 결과에 따라 최적의 2단 원심 블로워의 설계 변수가 결정하게 된다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치는, 설계 변수에 따른 수학적 모데링을 설정하여 실시간으로 유동 계수 및 압력 계수를 도출하고 도출된 유동 계수 및 압력 계수를 토대로 최적의 설계 변수를 결정한다.

본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 스크롤(4)에 대해서 블루트(6)의 위치(

) 및 반경(

), 임펠러(2)의 폭(b) 및 유량을 도출하는 설계변수 도출부(110)와, 상기 설계 변수를 가지는 블로워(1)에서 수학적 모델링을 설정하기 위해 2단 임펠러, 케이스, 및 블루트를 세 블록으로 분할하여 대수적 방법으로 소정 수의 계산 격자를 생성하는 격자 생성부(120)와, 각 격자에 대해 표준 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 통해 임펠러에 대한 수학적 모델링을 설정하여 유량 계수 및 압력 계수를 도출하는 유동 모델링 도출부(130)의 구성을 가진다.

상기 격자 생성부(120)는 고속으로 회전하는 임펠러의 경계면과 정지 상태에 있는 케이스의 내부의 유동 영역 접합부인 경계면에 조밀한 격자를 생성하는 530 만개의 비정렬격자인 사면체 격자(Tetra mesh)로 구비된다. 즉, 회전 영역인 2단 임펠러 및 블레이드와 고정 영역인 스크롤의 불루트 세 블록으로 분할하여 대수적인 방법으로 계산격자를 구성하는 다중블록시스템을 적용함으로써 2단 원심 블로워(1)의 복잡한 기하학적 형상에 대한 유동해석을 수행하게 된다.

그리고, 상기 유동 모델링 도출부(130)는, 편미분방정식 형태로 표시될 수 있는 유체 역학적 지배 방정식을 대수 방정식으로 변환하여 근사해를 구하는 전산 유체 역학에 따른 삼차원 유동을 해석하기 위해 회전 좌표계를 이용한 MFR(Multiple Frame Reference) 기법에 의해 구비된다.

보다 구체적으로 상기 유동 모델링 도출부(130)는 도 5에 도시된 바와 같이, 각 격자의 지배 방정식을 전산 유체 해석에 따른 회전 좌표계의 MFR 기법을 이용하여 유동 변환하여 운동량 방정식을 도출하는 운동량 방정식 도출 모듈(131)과, 도출된 운동량 방정식을 이산화하는 이산화 연산 모듈(133)과, 상기 이산화 연산 모듈(133)의 운동량 방정식을 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하는 난류 유동 모델링 생성 모듈(135)을 포함한다.

즉, 운동량 방정식 도출부(131)는 회전 영역에서 주로 사용되는 MFR 기법을 토대로 도출되는데, 등속회전 운동에 대한 해석 기법으로 회전 좌표계와 고정 좌표계로 나타내어 진다.

그리고, 2단 원심 블로워(1)의 회전 좌표계를 정의되면, 회전하는 경계층은 회전 좌표에 대해 상대적으로 고정되게 되고, 따라서 회전하는 경계층은 좌표계와 같은 속력으로 움직이게 된다.

이러한 회전 좌표계에서 지배 방정식을 연산할 때 유동의 가속도는 운동량 방정식에서 추가적으로 나타내는 항에 의해 증가되고 운동량 방정식의 좌변항은 다음 식 1을 만족한다.

… 식 1

그리고, 회전 영역에서의 유동장은 연속 방정식(

)과 상기 운동량 방정식으로 나타낼 수 있으며, 연속 방정식(

)은 다음 식 2를 만족하고 운동량 방정식(

)은 다음 식 3을 만족한다.

.. 식 2

..식 3

그리고, 상기 운동량 방정식은 이산화 연산 모듈(133)에 제공되고 상기 이산화 연산 모듈(133)은 상기 운동량 방정식 도출부(131)의 운동량 방정식을 이산화하고 이산화된 운동량 방정식은 다음 식 4를 만족한다.

..식 4

그리고, 이러한 이상화된 운동량 방정식은 난류 유동 모델링 생성 모듈(135)로 공급된다.

상기 난류 유동 모델링 생성 모듈(135)는 상기 이산화 연산 모듈(133)의 이산화된 운동량 방정식을 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하도록 구비된다.

여기서, 상기 k-ω SST(Shear-Stress Transport)는 상기 격자 생성부(133)에서 생성된 다수의 격자 중 외부의 격자에서 SKE(Standard k-ε)를 통해 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하고, 벽면의 격자에 대해 SKW(Standard k-ε)로 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정한 후 상기 외부 격자의 난류 유동와 벽면 격자의 난류 유동의 결합으로 총 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정한다.

여기서 상기 외부의 격자에서 SKE(Standard k-ε)를 통해 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하는 SKE(Standard k-ε) 알고리즘과 벽면의 격자에 대해 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하는 SKW(Standard k-ε)는 범용의 온도 및 열팽창율 등에 의한 공기 확산에 대한 난류 유동에 대한 모델링과 동일 내지 유사하게 실행되므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이러한 난류 유동 모델링 생성 모듈(135)에서 도출된 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 통해 유량의 유출 계수 및 혼합 가스의 팽창 보정 계수를 통해 유량이 도출되고, 이러한 도출된 유량을 가지는 2단 원심 블로워에 대한 시뮬레이션을 실행하고 이러한 시뮬레이션을 통해 최적의 유량을 가지는 2단 원심 블로워의 제작이 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치는, 상기 난류 유동에 대한 수학적 모델링으로부터 도출된 유출 계수 및 혼합 가스의 팽창 보정 계수를 통해 도출된 유동 해석 결과와 실험 측정 장치를 이용하여 실측치와의 비교하는 해당 수학적 모델링으로부터 도출된 유출 계수 및 팽창 보정 계수에 대한 검증을 실행하는 검증부(140)를 구비한다.

상기 검증부(140)에서의 실험 측정 장치는 관로의 지름이 수십에서 수백 mm의 원형 관로 안에 채운 유채의 유량을 측정하는 방법으로 구현된다. 즉, 유체가 흐르고 있는 관 내에 설치되는 경우 상류쪽과 하류 쪽 사이에 생기는 정압차가 관로안의 유량과 상관 관계가 있으므로, 이러한 정압차를 이용하여 유량을 연산할 수 있으며, 이러한 유량의 유출 계수 및 혼합 가스의 팽창 보정 계수를 토대로 유량을 도출하게 된다.

그리고, 상기 검증부(140)는 상기 실측치인 유출 계수 및 혼합 가스의 팽창 보정 계수를 토대로 도출된 유량과 수학적 모델링을 통해 도출된 유량의 비교를 통해 상기 수학적 모델링에 대한 검증하게 된다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 설계 변수를 가지는 임펠러의 회전 영역과 비회전 영역에 대해 비정렬격자인 사면체 격자의 계산 격자를 구성하여 각 격자의 지배 방정식을 전산 유체 해석에 따른 회전 좌표계의 MFR 기법을 이용하여 유동 변환하여 운동량 방정식을 도출하고 도출된 운동량 방정식을 이산화한 후 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 난류 유동을 해석하여 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정함에 따라, 성능 및 효율이 최적화된 2단 원심 블로워를 제조할 수 있게 된다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.

설계 변수를 가지는 임펠러의 회전 영역과 비회전 영역에 대해 비정렬격자인 사면체 격자의 계산 격자를 구성하여 각 격자의 지배 방정식을 전산 유체 해석에 따른 회전 좌표계의 MFR 기법을 이용하여 유동 변환하여 운동량 방정식을 도출하고 도출된 운동량 방정식을 이산화한 후 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 난류 유동을 해석하여 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정하고 수학적 모델링을 통해 시뮬레이션을 실행하며 시뮬레이션 결과에 따라 최적의 블로워를 제작함에 따라, 성능 및 효율이 최적화된 2단 원심 블로워를 제조할 수 있는 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 적용되는 인공 호흡기의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (4)

1. 2개의 회전 영역과 1개의 비회전 영역으로 이루어진 의료용 2단 원심 블로워에서 모터의 회전력을 회전하여 외부의 혼합 가스를 인렛(lnlet)을 통해 흡입하여 아웃렛(outlet)을 통해 배출하기 위해 소정 수의 회전 영역에 각각 배치되는 블로워의 내부 유동을 해석하는 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치에 있어서,
   설계 변수로 설정된 아웃렛의 위치, 반경, 및 임펠러의 폭을 도출하는 임펠러 정보 도출부와,
   상기 임펠러 정보 도출부의 각 설계 변수에 대한 전산 유체 해석을 실행하기 위해 회전 영역인 2단 임펠러, 케이스, 및 고정 영역인 블루트를 세 블록으로 분할하여 대수적인 방법으로 회전 영역과 비회전 영역에 대한 비정렬 격자인 사면체 격자의 계산 격자를 구성하는 격자 생성부와,
   각 격자에 대해 표준 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 통해 임펠러에 대한 수학적 모델링을 설정하여 유량 계수 및 압력 계수를 도출하는 유동 모델링 도출부를 포함하되,
   상기 유동 모델링 도출부는,
   가이드베인의 바깥 벽면에서 온도 및 열팽창율 등에 의한 공기 확산에 대한 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정하여 혼합 가스의 팽창 보정 계수를 도출하도록 구비되고,
   상기 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치는
   유체가 흐르는 관 내의 상류쪽과 하류쪽의 사이에 생기는 정압차와 수학적 모델링으로부터 도출된 유량 계수 및 압력 계수와 혼합 가스의 팽창 보정 계수를 토대로 상기 유동 모델링 도출부의 유동 모델링에 대한 검증을 수행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치는,
   상기 유동 모델링 도출부에서 도출된 유동 모델링에 대한 타당성을 검증하기 위해 상기 수학적 모델링을 통해 도출된 유동 계수, 압력 계수, 및 혼합가스의 팽창 보정 계수와 실측 결과를 비교하는 검증부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 유동 모델링 도출부는,
   각 계산 격자의 지배 방정식을 전산 유체 해석에 따른 회전 좌표계의 MFR 기법을 이용하여 유동 변환하여 운동량 방정식을 도출하는 운동량 방정식 도출 모듈과,
   도출된 운동량 방정식을 이산화하는 이산화 연산 모듈과,
   상기 이산화된 운동량 방정식을 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 외부 격자에 대한 난류 유동와 가이드베인의 바깥 벽면의 격자에 대해 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하는 난류 유동 모델링 생성 모듈을 포함하도록 구비되는 것을 특징으로 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 난류 유동 모델링 생성 모듈은,
   상기 격자 생성부에서 생성된 다수의 격자 중 외부의 격자에서 SKE(Standard k-ε)를 통해 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 생성하여 유압 계수 및 유량 계수를 도출하고,
   벽면의 격자에 대해 SKW(Standard k-ε)로 혼합 가스의 온도에 따른 온도 및 열팽창에 의거 발생된 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정하여 혼합 가스의 n팽창 보정 계수를 도출하며,
   상기 외부 격자의 난류 유동와 벽면 격자의 난류 유동의 결합으로 총 난류 유동에 대한 수학적 모델링을 설정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 난류 유동 모델링 장치.

Images