KR20150113581A - Element detecting mehtod for impeller of 2 step radial blower - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 의료용 2단 원심 블로워용 임펠러의 요소 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2개의 회전 영역과 1개의 비회전 영역으로 이루어진 의료용 2단 원심 블로워에서 회전 영역에 설치되는 임펠러의 내부를 기자는 유동 해석을 통해 최적 설계를 위한 임펠러의 요소를 검출하여 성능 및 효율을 향상시킬 수 있도록 한 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for detecting an element of an impeller for a two-stage centrifugal blower for medical use, and more particularly, to a method for detecting an element of an impeller for a medical two-stage centrifugal blower, The present invention relates to a method for detecting an element of an impeller for optimum design through flow analysis to improve performance and efficiency.
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.The blower is a machine that transfers the air by rotating the impeller. A blower with a pressure ratio of 1.1 or more and less than 2.0 is referred to as a blower. The blower is a fan in which the pressure ratio between the air inlet and the air outlet is less than 1.1. It is called a blower.
일반적으로 송풍기는 기체 특히 공기를 이용한 바람의 흐름 세기를 크게 하는 것으로, 크게 터보형 송풍기와 용적형 송풍기로 나뉘어 진다. 이중 터보형 송풍기는 회전차가 회전함으로써 발생하는 날개의 양력에 의하여 에너지를 얻게 되는 축류송풍기와 원심력에 의해 에너지를 얻는 원심 송풍기로 나뉘어 진다. 이러한 송풍기 중 원심다익송풍기는 전체적으로 원통형상인 본체의 일측면 중앙에 흡입구를 구비하고, 원주면 일측으로 유출구를 형성하며, 원통 형상의 본체 내측 원통을 중심으로 하는 축을 중심으로 회전하는 블레이드 그리고 스크롤 및 임펠러 등으로 형성되어 있다. 그리하여 다수개 구비된 작은 날개인 블래이드가 일측으로 기울어져 회전되어 다수 블래이드에 형성된 원주형의 임펠러 중앙으로 공기를 흡입하여 외측으로 밀어내도록 형성된 것이다.Generally, a blower is divided into a turbo type blower and a volumetric type blower, which increases the wind flow intensity using gas, particularly air. The double turbo blower is divided into an axial blower that obtains energy by the lifting force of the blades generated by the rotation of the rotary car, and a centrifugal blower that obtains energy by the centrifugal force. Among such blowers, the centrifugal blower generally has a suction port at the center of one side of the cylindrical main body, forms a discharge port on one side of the cylindrical surface, and has a blade rotating around an axis centered on the cylindrical main body inner cylinder, An impeller or the like. Thus, a plurality of small blades, which are small blades, are tilted to one side and pushed to the outside by sucking air into the center of a columnar impeller formed in the plurality of blades.
이와 같이 구비되는 터보형 송풍기에 있어서, 임펠러 내에서의 주 흐름의 급격한 변화, 임펠러 원주방향에 따른 유동의 비 대칭성, 설부 주위의 압력구배 그리고 스크롤 내부에서의 유동 등의 여러 요인으로 인하여 터보형 송풍기의 내부의 유동 및 효율을 예측할 수가 없었다. 또한 효율적인 최적의 임펠러를 설계할 수 없는 등의 문제점이 있다.In the turbo type blower thus provided, due to various factors such as a sudden change of the main flow in the impeller, an asymmetry of the flow along the circumferential direction of the impeller, a pressure gradient around the tongue and a flow inside the scroll, The flow and efficiency of the fuel cell can not be predicted. In addition, there is a problem that it is impossible to design an efficient optimum impeller.
상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은, 임펠러의 내부를 지나는 삼차원 유동해석을 수행하여 상부캡, 하부캡 및 블레이드의 설계변수의 변경 범위에서 성능에 미치는 영향을 검토하고 삼차원 유동해석을 바탕으로 최적의 임펠러를 설계함에 따라, 보다 정밀한 유동해석기법을 바탕으로 하여 최적화된 터보 원심형 블로워의 성능 및 효율을 더욱 향상 시킬 수 있는 2단 원심형 블로워용 임펠러의 요소 검출 방법을 제공하고자 함에 있다.In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention performs a three-dimensional flow analysis through the interior of the impeller, examines the effect on the performance range of the design parameters of the upper cap, the lower cap and the blade, In order to provide an element detecting method for a two-stage centrifugal blower, which can improve the performance and efficiency of an optimized turbo centrifugal blower based on a more precise flow analysis technique by designing an optimum impeller based on the present invention have.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 기술적 과제는Technical Solution According to an embodiment of the present invention,
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 원심형 블로워의 요소 검출 방법에 있어서, A two-stage centrifugal blower for analyzing an internal flow of a ballowork disposed in a predetermined number of rotation regions for rotating the rotational force of the motor and sucking external mixed gas through an inlet and discharging the same through an outlet; The method comprising:
설계 변수로 설정된 아웃렛의 위치, 반경, 및 임펠러의 폭을 설정하는 설계 변수 설정 단계와,A design parameter setting step of setting a position, a radius, and an impeller width of an outlet set as a design variable;
설정된 설계 변수를 가지는 블로워에서 전산 유체 해석을 실행하기 위해 2단 임펠러, 케이스, 및 블루트를 세 블록으로 분할하여 대수적인 방법으로 소정 수의 계산 격자를 구성하는 격자 생성 단계와,A grid generating step of dividing a two-stage impeller, a case, and a blit into three blocks and constructing a predetermined number of calculation grids in an algebraic manner to perform a computational fluid analysis in a blower having a set design variable;
표준 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하고 난류 유동의 삼차원 편미분 방정식을 계산하고자 회전 좌표계에서 각 격자의 유체역학적 지배 방정식들을 운동량 방정식을 연산하고, 연산된 운동량 방정식을 이산화한하여 유량 계수 및 압력 계수를 도출하는 유동 해석 단계와,In order to calculate the three-dimensional partial differential equation of turbulent flow using the standard k-ω SST (Shear-Stress Transport) turbulence model, the momentum equations are computed from the hydrodynamic governing equations of each grid in the rotating coordinate system, A flow analysis step of deriving a coefficient and a pressure coefficient,
상기 유동 해석 단계에서 사용된 해석 방법에 대한 타당성을 검증하기 위해 상기 유동 해석 결과와 실측 결과를 비교하는 해석 결과 검증 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.And an analysis result verification step of comparing the flow analysis result and the actual measurement result to verify the validity of the analysis method used in the flow analysis step.
바람직하게 상기 격자 생성 단계는,Preferably, the lattice-
고속으로 회전하는 임펠러의 경계면 및 블레이드와 정지 상태에 있는 케이싱의 내부의 유동 영역 접합부인 불루트의 경계면에 조밀한 격자를 생성하는 530 만개의 비정렬격자인 사면체 격자(Tetra mesh)로 구비되는 것을 특징으로 한다.And a tetrahedral mesh (Tetra mesh), which is a non-aligned mesh of 5,300,000 which produces dense lattices at the interface of the impeller rotating at high speed and at the interface between the blades and the flow field junction inside the casing in a stationary state .
바람직하게 상기 유동 해석 단계는,Preferably, the flow analysis step comprises:
가속 좌표계에서 유동을 모델링하기 위해 격자의 지배 방정식을 회전 죄표계에서 해석함에 있어 2단 임펠러 및 케이스 및 블루트를 포함하는 회전 영역 및 고정 영역에 대한 해석을 동시에 실행하는 MFR(Multiple Frame Reference)기법을 실행하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.In order to model the flow in the accelerating coordinate system, the multiple frame reference (MFR) method which simultaneously analyzes the rotational and stationary regions including the two-stage impeller, case, and blit To be executed.
바람직하게 상기 MFR 기법은,Preferably, the MFR technique comprises:
회전 좌표계에서 지배 방정식들을 연산할 때 유동 가속도에 포함되는 운동량 방정식을 다음 식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.The momentum equation included in the flow acceleration when calculating the governing equations in the rotational coordinate system satisfies the following equation (1).
.. 식 1 .. Equation 1
바람직하게 상기 유동 해석 단계는,Preferably, the flow analysis step comprises:
회전 영역에서의 지배 방정식은 연속 방정식과 운동량 방정식을 포함하고, 상기 연속 방정식()은 다음 식 2을 만족하고, 상기 운동량 방정식은 다음 식 3를 만족하는 것을 특징으로 한다.The governing equation in the rotational domain includes continuity and momentum equations, and the continuity equation ( ) Satisfies the following equation (2), and the momentum equation satisfies the following equation (3).
… 식 2 ... Equation 2
… 식 3 ...
바람직하게 상기 운동량 방정식은 기 정의된 소정 식에 따라 이산화되고 이산화된 운동량 방정식은 다음 식 4를 통해 만족하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the momentum equation is discretized according to a predefined equation, and the momentum equation that is discretized is satisfied through Equation (4).
… 식 4 ... Equation 4
바람직하게 상기 유동 해석 단계는,Preferably, the flow analysis step comprises:
상기 이산화된 운동량 방정식을 이용하여 표준 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 해석 결과값인 유동 계수 및 압력 계수를 도출하는 단계를 더 포함하고, 도출된 유동 계수 및 압력 계수는 다음 식 5 및 식 6을 만족하는 것을 특징으로 한다.Further comprising deriving a flow coefficient and a pressure coefficient, which are analytical values, using a standard k-SST (Shear-Stress Transport) turbulence model using the discretized momentum equation, and the derived flow coefficient and pressure coefficient The following expressions (5) and (6) are satisfied.
… 식 5 ... Equation 5
… 식 6 ...
여기서, 는 회전수, 밀도, 체적 유량, 임펠러 디스크 직경, 및 정압 상승을 의미한다.here, Means the number of revolutions, density, volumetric flow rate, impeller disc diameter, and static pressure rise.
본 발명의 실시 예에 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 해석하고, 실측된 유량 계수 및 압력 계수의 비교를 토대로 상기 유동의 해석 기법에 대한 검증을 실행함에 따라, 보다 정밀한 전산유체 해석에 따른 MFR 기법을 이용한 유동해석기법을 바탕으로 하여 최적화된 2단 원심 블로워를 제조하여 성능 및 효율이 향상되는 2단 원심 블로워를 제공하는 효과를 얻는다. According to an embodiment of the present invention, a computational grid for a tetrahedral grid is constructed for an unoriented grid for the rotating and non-rotated regions, and the governing equations for each grid are fluidly transformed using the MFR technique of the rotational coordinate system according to the computational fluid analysis The momentum equations are derived and the derived momentum equations are discretized. Then, the turbulent flow is analyzed using the k-ω SST (Shear-Stress Transport) turbulence model, and the flow analysis method The centrifugal blower with optimized performance is manufactured by using the flow analysis technique using the MFR technique according to the more accurate computational fluid analysis to provide a two-stage centrifugal blower with improved performance and efficiency .
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 1은 본 발명의 실시 예가 적용되는 2단 원심 블로워를 보인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 요소 검출 과정을 보인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 요소 검출 과정에서 계산 격자를 보인 도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 요소 검출 과정의 유동 해석 중 원심 좌표계 및 고정 좌표계를 보인 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 요소 검출 과정의 해석 결과 검증 시 실험 측정 장치를 보인 도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 요소 검출 과정의 해석 결과 검증에 따른 실험 결과 및 해석 결과를 보인 도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description of the invention given below, serve to further understand the technical idea of the invention. And should not be construed as limiting.
1 is a sectional view showing a two-stage centrifugal blower to which an embodiment of the present invention is applied.
2 is a flowchart illustrating an element detection process of a two-stage centrifugal blower according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a calculation grid in the element detection process of the two-stage centrifugal blower according to the embodiment of the present invention.
4 is a view showing centrifugal coordinate system and fixed coordinate system during the flow analysis of the element detection process of the two-stage centrifugal blower according to the embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing an experimental measurement apparatus for verifying an analysis result of an element detection process of a two-stage centrifugal blower according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing experimental results and analytical results according to the analysis result verification of the element detection process of the two-stage centrifugal blower according to the embodiment of the present invention.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다. In order to fully understand the present invention, operational advantages of the present invention, and objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings and the accompanying drawings which illustrate preferred embodiments of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
도 1은 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.FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of an impeller for a two-stage centrifugal blower to which an embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 1, a scroll (including an impeller 2, a
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.The impeller 2 of the two-stage centrifugal blower 1 formed in this way is designed so that the size of the portion where the
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. The two-stage centrifugal blower (1) is composed of a series of hydraulic statistical techniques using flow analysis method and turbulence modeling based on the MFR technique of rotational coordinate system used in the computational fluid analysis, and results obtained through physical or numerical experiments Based numerical optimization technique.
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.That is, asymmetrical geometric shape in which the momentum of the main flow in the impeller 2 changes, the shape of the scroll 4 is the narrowest in the
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.Therefore, the width of the impeller 2, which is an element detected by the element detection method of the two-stage centrifugal blower 1 by the numerical optimization design technique as described above, the radius and position of the
즉, 도 1에 도시된 2원 원심 블로워의 블레이드(3)의 개수는 13개이고, 디스크 직경은 42mm로 고정된 2단 임펠러(2), 블레이드(3) 및 스크롤(4)를 포함하는 2단 원심 블로워(1)의 요소 검출 방법은, 성능에 민감한 영향을 미치는 것으로 알려진 기하학적 설계변수로 스크롤(4)에 대해서 블루트(6)의 위치() 및 반경( )을 선택하였고, 임펠러(2)에 대해서 폭(b)을 선택하고, 추가로 송풍기의 운전과 관련된 유량을 포함하는 설계 변수 설정 단계(100)와, 설정된 설계 변수를 가지는 블로워(1)에서 전산 유체 해석을 실행하기 위해 2단 임펠러, 케이스, 및 블루트를 세 블록으로 분할하여 대수적 방법으로 소정 수의 계산 격자를 생성하는 격자 생성 단계(200)와, 표준 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 난류 유동의 운동량 방정식으로 계산하고자 각 격자의 유체역학적 지배 방정식들을 회전 좌표계로 변환하여 운동량 방정식을 연산하고, 연산된 운동량 방정식을 이산화하여 유량 계수 및 압력 계수를 도출하는 유동 해석 단계(300)와, 상기 유동 해석 단계(300)에서 사용된 해석 방법에 대한 타당성을 검증하기 위해 상기 유동 해석 결과인 유량 계수 및 압력 계수와 실측 결과인 유량 계수 및 압력 계수를 비교하는 해석 결과 검증 단계(400)를 포함한다.That is, the number of the
여기서, 상기 격자 생성 단계(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 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. 도 3은 도 2에 도시된 2단 원심 블로워의 계산 격자를 보인 도면이다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 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.3, the
한편, 상기 유동 해석 단계(300)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.Meanwhile, the
즉, 회전 영역에서 주로 사용되는 MFR 기법은 등속회전 운동에 대한 해석 기법으로 도 4에 도시된 바와 같이, 회전 좌표계와 고정 좌표계로 나타내어 진다. 여기서 는 회전 좌표계의 위치벡터이고, ???는 각속도를 나타낸다. 도 4는 2단 원심 블로워의 전산유체 해석을 위한 회전 좌표계와 고정 좌표계를 보인 도면이다.That is, the MFR technique, which is mainly used in the rotating region, is represented by a rotational coordinate system and a fixed coordinate system as shown in FIG. Where is the position vector of the rotational coordinate system, and ??? represents the angular velocity. 4 is a view showing a rotation coordinate system and a fixed coordinate system for the computational fluid analysis of the two-stage centrifugal blower.
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.Then, if the rotational coordinate system of the two-stage centrifugal blower 1 is defined, the rotating boundary layer is fixed relative to the rotational coordinate, so that the rotating boundary layer moves at the same speed as the coordinate system.
회전 좌표계에서 지배 방정식을 연산할 때 유동의 가속도는 운동량 방정식에서 추가적으로 나타내는 항에 의해 증가되고 운동량 방정식의 좌변항은 다음 식 1을 만족한다. When the governing equations are computed in the rotational coordinate system, the acceleration of the flow is increased by the additionally indicated term in the momentum equation, and the left side term of the momentum equation satisfies the following equation (1).
식 1 Equation 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.Then, the flow field in the rotating region is expressed by the continuity equation ( ) And the momentum equation, and the continuous equation ( ) Satisfies the following equation (2) and the equation of momentum ( ) Satisfies the following equation (3).
.. 식 2 .. Equation 2
..식 3 ..
그리고, 상기 운동량 방정식은 이산화하고 이산화된 운동량 방정식은 다음 식 4를 만족한다.And, the momentum equation is discretized and the discretized momentum equation satisfies the following equation (4).
..식 4 .. Equation 4
이 후 유동 해석 단계(300)에서, 표준 k-ω SST (Shear-Stress Transport) 난류모델을 사용하여 유동 모델링이 실행된다. 여기서, 상기 k-ω SST 난류 모델은 유동박리해석에 가장 적합한 모델링이다.Thereafter, in the
이러한 유동 해석 단계(300)에서, 전산유체 역학 해석을 통해 2단 원심 블로워의 성능 특성을 판단하기 위한 유량 계수 및 압력 계수를 도출하고, 도출된 유량 계수 및 압력 계수는 각각 식 5 및 식 6을 만족한다.In this
.. 식 5 .. Equation 5
.. 식 6 ..
여기서, 상기 는 회전수, 밀도, 체적유량, 임펠러 디스크직경, 정압상승을 의미한다.Here, Means the number of revolutions, density, volumetric flow rate, impeller disk diameter, and static pressure rise.
그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 2단 원심 블로워의 요소 검출 방법은, 유동 해석 단계(300)에서 도출된 해석 결과에 대한 타당성을 검증하기 위해 유동 해석 결과와 실험 측정 장치를 이용하여 실측치와의 비교하는 해석 결과 검증 단계(400)를 구비한다.In order to verify the validity of the analytical result obtained in the
상기 해석 결과 검증 단계(400)에서, 실험 측정 장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 관로의 지름이 50-120 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. In the analysis
상기 유출 계수() 및 혼합 가스 팽창 보정 계수()는 다음 식 7 및 8을 각각 만족하고, 질량 유량()은 다음 식 9를 만족한다.The effluent coefficient ( ) And the mixed gas expansion correction coefficient ( Satisfy the following equations (7) and (8), respectively, and the mass flow rate ) Satisfies the following expression (9).
… 식 7 ... Equation 7
… 식 8 ... Equation 8
…. 식 9 ... . Equation 9
여기서, 체적 유량(), 유출 계수(), 조임 지름비(), D에 관한 레이놀즈 수(), 오리피스 관의 상류면에서 상류쪽 압력 취출구까지의 거리를 관로의 지름으로 나눈 계수(), 오리피스관의 하류면에서 하류쪽 압력 취출구까지의 거리를 관료의 지름으로 나누 계수)를 의미한다. 다만 일 때 의 계수는 0.039 이다.Here, the volume flow rate ( ), Effluent coefficient ( ), Tightening diameter ratio ( ), The Reynolds number for D ( ), A coefficient obtained by dividing the distance from the upstream surface of the orifice pipe to the upstream pressure outlet by the diameter of the pipe ( ), The distance from the downstream side of the orifice tube to the downstream side pressure outlet is divided by the diameter of the bureaucracy ). but when Is 0.039.
도 5는 도 2의 해석 결과 검증 단계(400)에서 실험 측정 장치를 통해 얻어진 실측 결과를 보인 도면으로서, 35000 RPM의 유지하는 실측 결과를 나타낸다.FIG. 5 is a graph showing the experimental results obtained through the experimental measurement device in the analysis
도 6은 도 2의 해설 결과 검증 단계(400)에서 실험 측정 장치를 통해 얻어진 실측 결과와 상기 유동 해석 단계(300)에서 얻어진 유동 해석 결과를 보인 도면으로서, 역시 35000 RPM 고정 실험값와 삼차원 회전 좌표계의 MFR 기법을 이용한 전산유체 해석에 따른 유동 해석 결과를 나타낸다.FIG. 6 is a graph showing the experimental results obtained through the experimental measurement device and the flow analysis results obtained in the
본 발명의 실시 예에 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 해석하고, 실측된 유량 계수 및 압력 계수의 비교를 토대로 상기 유동의 해석 기법에 대한 검증을 실행함에 따라, 보다 정밀한 전산유체 해석에 따른 MFR 기법을 이용한 유동해석기법을 바탕으로 하여 최적화된 2단 원심 블로워를 제조하여 성능 및 효율이 향상되는 2단 원심 블로워를 제공하게 된다.According to an embodiment of the present invention, a computational grid for a tetrahedral grid is constructed for an unoriented grid for the rotating and non-rotated regions, and the governing equations for each grid are fluidly transformed using the MFR technique of the rotational coordinate system according to the computational fluid analysis The momentum equations are derived and the derived momentum equations are discretized. Then, the turbulent flow is analyzed using the k-ω SST (Shear-Stress Transport) turbulence model, and the flow analysis method , The two-stage centrifugal blower which is optimized based on the flow analysis technique using the MFR technique according to the more accurate computational fluid analysis is manufactured to provide a two-stage centrifugal blower with improved performance and efficiency.
여기에 제시된 실시 예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The steps of a method or algorithm described in connection with the embodiments disclosed herein may be embodied in the form of a program form which may be performed via a variety of computing means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and configured for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
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 해석하고, 실측된 유량 계수 및 압력 계수의 비교를 토대로 상기 유동의 해석 기법에 대한 검증을 실행함에 따라, 보다 정밀한 전산유체 해석에 따른 MFR 기법을 이용한 유동해석기법을 바탕으로 하여 최적화된 2단 원심 블로워를 제조하여 성능 및 효율이 향상되는 2단 원심 블로워를 제공함에 따라 2단 원심 블로워용 요소 검출 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 적용되는 의료용 인공 호흡기의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.
We constructed the computational grid of the tetrahedron lattice which is the unstructured lattice for the rotating and the non-rotating lattice. The governing equations of each lattice were transformed by using the MFR technique of the rotating coordinate system according to the computational fluid analysis to derive the momentum equation, By simulating the turbulent flow using the k-ω SST (Shear-Stress Transport) turbulence model after the equations are discretized and verifying the analytical technique of the flow based on the comparison of the measured flow coefficients and pressure coefficients, We propose a two-stage centrifugal blower that improves the performance and efficiency by manufacturing the optimized two-stage centrifugal blower based on the flow analysis technique using the MFR technique according to the more accurate computational fluid analysis. It can bring about great improvement in the accuracy and reliability of operation and further in performance efficiency. It is an industrial invention that is possible because it is not only possible to market or operate a respirator for medical use, but also to be practically and practically possible.
Claims (7)
설계 변수로 설정된 아웃렛의 위치, 반경, 및 임펠러의 폭을 설정하는 설계 변수 설정 단계와,
설정된 설계 변수를 가지는 블로워에서 전산 유체 해석을 실행하기 위해 2단 임펠러, 케이스, 및 블루트를 세 블록으로 분할하여 대수적인 방법으로 소정 수의 계산 격자를 구성하는 격자 생성 단계와,
표준 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하고 난류 유동의 삼차원 편미분 방정식을 계산하고자 회전 좌표계에서 각 격자의 유체역학적 지배 방정식들을 운동량 방정식을 연산하고, 연산된 운동량 방정식을 이산화한하여 유량 계수 및 압력 계수를 도출하는 유동 해석 단계와,
상기 유동 해석 단계에서 사용된 해석 방법에 대한 타당성을 검증하기 위해 상기 유동 해석 결과와 실측 결과를 비교하는 해석 결과 검증 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 요소 검출 방법.A two-stage centrifugal blower for analyzing an internal flow of a ballowork disposed in a predetermined number of rotation regions for rotating the rotational force of the motor and sucking external mixed gas through an inlet and discharging the same through an outlet; The method comprising:
A design parameter setting step of setting a position, a radius, and an impeller width of an outlet set as a design variable;
A grid generating step of dividing a two-stage impeller, a case, and a blit into three blocks and constructing a predetermined number of calculation grids in an algebraic manner to perform a computational fluid analysis in a blower having a set design variable;
In order to calculate the three-dimensional partial differential equation of turbulent flow using the standard k-ω SST (Shear-Stress Transport) turbulence model, the momentum equations are computed from the hydrodynamic governing equations of each grid in the rotating coordinate system, A flow analysis step of deriving a coefficient and a pressure coefficient,
And an analysis result verification step of comparing the flow analysis result and the measurement result to verify the validity of the analysis method used in the flow analysis step.
고속으로 회전하는 임펠러의 경계면 및 블레이드와 정지 상태에 있는 케이싱의 내부의 유동 영역 접합부인 불루트의 경계면에 조밀한 격자를 생성하는 530 만개의 비정렬격자인 사면체 격자(Tetra mesh)로 구비되는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 요소 검출 방법.2. The method of claim 1,
And a tetrahedral mesh (Tetra mesh), which is a non-aligned mesh of 5,300,000 which produces dense lattices at the interface of the impeller rotating at high speed and at the interface between the blades and the flow field junction inside the casing in a stationary state Wherein the element detection method of the two-stage centrifugal blower is characterized.
가속 좌표계에서 유동을 모델링하기 위해 격자의 지배 방정식을 회전 죄표계에서 해석함에 있어 2단 임펠러 및 케이스 및 블루트를 포함하는 회전 영역 및 고정 영역에 대한 해석을 동시에 실행하는 MFR(Multiple Frame Reference)기법을 실행하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 요소 검출 방법.3. The method according to claim 2,
In order to model the flow in the accelerating coordinate system, the multiple frame reference (MFR) method which simultaneously analyzes the rotational and stationary regions including the two-stage impeller, case, and blit Wherein the step of detecting the element of the two-stage centrifugal blower comprises:
회전 좌표계에서 지배 방정식들을 연산할 때 유동 가속도에 포함되는 운동량 방정식을 다음 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 요소 검출 방법.
.. 식 14. The method of claim 3,
Wherein the momentum equation included in the flow acceleration when computing the governing equations in the rotational coordinate system satisfies the following Equation (1): " (1) "
.. Equation 1
회전 영역에서의 지배 방정식은 연속 방정식과 운동량 방정식을 포함하고, 상기 연속 방정식()은 다음 식 2을 만족하고, 상기 운동량 방정식은 다음 식 3를 만족하는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 요소 검출 방법.
… 식 2
… 식 35. The method according to claim 4,
The governing equation in the rotational domain includes continuity and momentum equations, and the continuity equation ( ) Satisfies the following equation (2), and the momentum equation satisfies the following equation (3): " (3) "
... Equation 2
... Equation 3
… 식 46. The method of claim 5, wherein the momentum equation is discretized according to a predefined equation and the discretized momentum equation is satisfied by the following equation (4).
... Equation 4
상기 이산화된 운동량 방정식을 이용하여 표준 k-ω SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하여 해석 결과값인 유동 계수 및 압력 계수를 도출하는 단계를 더 포함하고, 도출된 유동 계수 및 압력 계수는 다음 식 5 및 식 6을 만족하는 것을 특징으로 하는 2단 원심 블로워의 요소 검출 방법.
… 식 5
… 식 6
여기서, 는 회전수, 밀도, 체적 유량, 임펠러 디스크 직경, 및 정압 상승.
7. The method of claim 6,
Further comprising deriving a flow coefficient and a pressure coefficient, which are analytical values, using a standard k-SST (Shear-Stress Transport) turbulence model using the discretized momentum equation, and the derived flow coefficient and pressure coefficient The following expression (5) and (6) are satisfied.
... Equation 5
... Equation 6
here, The number of revolutions, density, volumetric flow, impeller disc diameter, and static pressure rise.
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CN108212348B (en) * | 2017-12-20 | 2020-03-24 | 上海电气集团股份有限公司 | CFD technology-based coal mill impeller device improvement method |
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