경원테크 뉴스레터 - 2015. 08
Simerics - Improving the performance of a two way flowcontrol valve, using a 3D CFD modeling 해석사례
반도체 소자 식각/증착 공정해석용 K-SPEED 소개
제20회 2015 한국기계전 - JEJOUP 혁신포럼 개최
일시 : 2015. 10. 28(수) ~ 31(토)
장소 : 일산 킨텍스 제1전시장 3/4/5홀, 제2전시장 7/8홀
한국기계산업진흥회 주관으로 열리게 되었으며, 이 행사에서 국산소프트웨어의 활용사례로 단조전용 해석소프트웨어인 MFRC를 비롯하여 Functionbay의 Recurdye, VMTech의 MAPS-3D등의 해석결과를 EnSight로 가시화한 사례등을 발표합니다.
단조해석소프트웨어인 MFRC의 해석결과를
EnSight로 가시화한 사례
FunctionBay사의 Recurdyn해석 결과를
EnSight로 가시화한 사례
MAPS3D 해석결과를 EnSight로 가시화한 사례
한국기계산업진흥회에서 플라즈마 장비교육 개최
표면처리를 비롯한 다양한 진공 장비를 운영, 설계하는 실무자 중 해석 입문자 또는, 저압 챔버 해석의 초보자들을 위한 기초과정을 열게 되었습니다. 본 교육은 실무적 관점에서, 플라즈마 챔버 (중진공) 내부의 유동 해석은 자칫, 의미 없는 해석 결과가
도출 될 가능성이 많은 영역이므로 최대한 현상에 가까운 해석이 가능 하도록, 이론적 지식을 배경으로 한 Know-How 교육 및 실습을 통한 이해의 깊이를 향상시키도록 교육 합니다.
플라즈마 챔버(중진공) 내부의 유동해석과 표면처리 : 2015. 9. 17(목) - 18(금) /2일간
플라즈마 챔버(고진공) 내부의 유동해석과 표면처리 : 2015. 11. 12(목) - 13(금) /2일간
1. 교육내용 : 진공기술 소개, 플라즈마 챔버 내부현상 이해, 수치해석 이론 및 챔버해석 Know-How, 챔버해석 실습
2. 장 소 : 서울 제조기반 전산교육장
3. 강 사: 경원테크 김지훈 책임, 이도용 선임
4. 교육신청 : http://www.e-jejoup.kr/servlet/controller.homepage.MainServlet
ASME-JSME-KSME - Joint Fluids Engineering Conference 2015
지난 2015. 7. 26~31 에 서울 코엑스에서 열린 공동국제학술대회에서 Simerics사의 엔지니어인 Hui Ding 씨가 아래와 같은 주제를 가지고 2편의 발표를 했습니다.
ㅇ AJK2015- 02233: Design and Optimization of a Vertical Turbine Pump
George Maddox - Best PumpWorks / Yanjun Xia, Sam Lowry, Hui Ding - Simerics Inc.
Abstract
An example of the complete process used by PumpWorks 610, LLC in designing and optimizing a verti-cal turbine pump is presented, starting with the creation of an initial prototype using the design soft-ware CFturbo®, and the subsequent virtual testing and analysis with the CFD tool PumpLinx®. The re-sults of the CFD analysis are used to identify the sources of loss of efficiency, with specific examples of how those losses are identified. The geometry of the pump is then modified to improve performance and re-tested in the virtual environment before any hardware is manufactured. Once built, the pre-dicted performance of the optimized pump is verified by physical testing. Comparisons between the CFD predictions and the empirical data are presented. Once demonstrated to perform as intended, the final design is delivered to the customer.
ㅇ AJK2015-33654: Two Phase Flow Simulation of a Water Ring Vacuum Pump Using a VOF Mode
Hui Ding, Yu Jiang - Simerics Inc / Hao Wu – School of Energy and Power Engineering / Jian Wang – Beijing Hi-Key Tech Co. Ltd
Abstract
Due to the complex two phase flow, CFD simulation of liquid ring pumps used to be extremely chal-lenging. Using a recently developed Volume of Fluid (VOF) two phase flow model, this paper presents a 3D transient CFD model for a water ring vacuum pump. The test simulations show that the new VOF model is very robust and can catch most of the important physics when applied to an industrial water ring vacuum pump. Model formulation and problem setup will be presented in detail in the paper. Im-portant issues that could affect the simulation results will be discussed. Water ring pump flow field characteristics recealed from simulation results will be summarized with explanation. And finally, the simulation results will be compared with experimental data.
Improving the performance of a two way flow control valve, using a 3D CFD modeling 해석사례
Emma Frosina, Adolfo Senatore, Dario Buono / University of Naples Federico
Michele Pavanetto, Ina Costin / Duplomatic Oleodinamica S.p.A.
Micaela Olivetti / OMIQ s.r.l.
본 논문은 유압품의 성능을 최적화하기 위한 방법론을 소개하고 있다. 특히 밸브 내부의 유체역학적 거동을 다루는 새로운 양방향 흐름제어 밸브를 소개할 것이다. 방법론은 CFD 3차원 유체역학 모델 정의에 기반한다.
사실, 이러한 모델은 최적형상을 개발하고 밸브의 성능을 최적화하며 프로토타입의 제작횟수를 줄일 뿐만 아니라 결국에는 빠른 시장화를 통해 비용을 줄이려는 엔지니어에게 도움이 될 수 있다.
원래 스풀밸브의 내부형상은 수치모델을 통해서 얻은 결과와 실험을 통해 얻은 데이터를 비교하여 결과를 평가하는 방향으로 연구되었다.
그 후, 이와 같은 접근방법은 모든 동작조건에서 가장 좋은 성능을 가지는 한 제품을 선택하기 위해 여러 다른 스풀밸브의 형상들을 연구하기 위해 적용되어왔다. 솔루션들의 제한된 수로 인해 각각의 부품에 부여된 최적의 성능을 찾기 위해 프로토타입을 만들고 수학모델을 통한 예측을 검증하기 위해 실험을 하고 있다.
Introduction
유압회로에 있어서, 다른 기술에서와 같이, 특별히 요구되는 성능을 참조하여, 생산단계와 파일럿 단계를 구별하는 것이 매우 일반적이다. 우선은 높은 효율과 우수한 역학적 성능 그리고 높은 성능을 관리하는 능력을 가져야 한다. 그리고 이후에 외적인 성능 감소요인에도 불구하고 안정된 제어성능과 강건성을 갖도록 설계되어야 한다.
파일럿 단계에서 요구되는 출력(Power)이 본선으로부터 직접 오게 되면, 동적인 움직임과 안정성은 크게 기능적인 요인에 의해 영향을 받게 되고 최선의 방법으로 시스템을 조정하는 것은 대단히 어렵게 된다.
이러한 이유로, 다른 솔루션은 일반적으로 두 단계로 구분하고 가능한 한 많은 경우 독립적으로 만들곤 한다. 본 논문에 설명된 구성요소는 파일럿 단계에서 정의된 압력을 가지는 한정된 유량에서의 메인 시스템상태(유량, 압력)를 적용한 양방향 흐름제어 밸브이다. 이러한 구성요소는 2단 방향밸브의 파일럿 밸브를 공급하도록 하거나, 유압장치뿐만 아니라 감압 밸브와 같이 매우 복잡한 시스템에서 기준으로 사용되는 고정된 압력값으로 정의된 압력비례 제어밸브에 공급하는데 사용될 수 있다.
설계변수는 320bar까지 가지는 입구압력을 가지는 분당 6리터의 고정된 유량과 최소 내부압력보다 적은 10 Bar의 출구압력이다.
Valve model and simulation
밸브해석은 Simerics사에서 개발된 범용CFD소프트웨어인 PumpLinx를 사용하였다.
PumpLinx® 수치적으로 질량보전법칙과 운동량과 에너지의 보존 방정식을 계산하고 난류 및 공동 현상에 대한 정확한 물리적 모델을 가지고 있다.
3D CAD 소프트웨어로부터 형상을 가져온 후<그림1>, 유체 볼륨은 유활유로 젖은 표면을 고려하여 추출되었다. 추출된 부피는 <그림 2>와 <그림 3>과 같다. 특히 그림 2에서는 전체 내부 유동공간을 나타내었고, <그림 3>은 단지 스풀밸브의 내부 유동공간을 보여주고 있다.
<그림 1> Valve CAD 3D
<그림 2> Valve fluid volume
<그림 3> Spool volume
입력된 형상은 PumpLinx의 격자생성기에 의해 격자를 생성하였다.
PumpLinx는 Body-Fitted Binary Tree 형식의 격자를 생성한다.
이런 형식의 격자는 다음과 같은 이유로 정확하고 효율적이다. :
- 이진트리 방식의 구조는 메모리공간을 적게 차지하면서도 확장된 데이터 구조를 가질 수 있다.
- 이진바이너리 표현은 모델내에서 서로 다른 길이 스케일과 해상도간의 전환에 최적이다.
- 격자의 대부분이 육면체이므로 이러한 격자는 수치적 에러의 영향을 감소시키고 속도 및 정밀도와 면에서 영향을 미치는 직교성, 종횡비 그리고 왜곡도등과 관련하여 최적화된 격자구조이다.
- 격자생성은 자동화되어 설정시간을 크게 줄일 수 있다.
- 격자는 체적으로부터 생성되기 때문에 작은틈이나 형상이 겹쳤을 때와 같이 깨끗하지 못한 CAD표면에 대해서도 높은 수용성을 갖는다.
<그림 4>는 해석할 밸브의 단면에서의 이진트리 격자를 보여주고 있다. 경계층에서 이진 트리는 총격자 개수를 과도하게 증가시키지 않고서도 표면의 격자밀도를 쉽게 증가시킬 수 있다. 큰 곡률을 가지는 영역에서나 미세하게 작은 영역에서도 잘 분할되고 표면을 따라 격자가 잘려져서 고품질의 격자가 생성된 것을 알 수 있다.
<그림 4>Binary Tree Mesh – Valve section
<그림 5> Mismatched Grid Interface
PumpLinx® 격자 불일치 인터페이스 (그림 5의 MGI)는 오버랩 영역을 식별하고, 보간없이 이러한면들을 일치시키는데 매우 효율적인 알고리즘을 제공한다. 그 후,이 영역은 인터페이스의 양쪽 영역의 공통면으로 처리된다. 해석이 진행되면서 동일한 그리드 영역에서 두개의 인접한 두 셀 간의 내부 면과 다르게 취급되지 않는다. 이러한 방법덕분에 해석은 매우 강력하고 신속하며 정확하게 된다. 해석에 사용되는 밸브모델은 1,806,768개의 격자로 구성된다.
<그림 6> Mesh
경계조건은 40°C 오일온도에서 밸브생산자가 제공하는 자료와 실험데이터로부터 얻을 수 있다. 일단 모델이 만들어지면 모든 작동조건에서 내부 밸브형상 핵심에서의 결과를 얻기 위해 상당히 큰 해석이 진행된다. 예를 들어 하나의 밸브유체체적에서의 압력분포는 유입압력 150bar에서 <그림 7>과 <그림 8>에 나타내었다.
<그림 7> Pressure distribution in the fluid volume
<그림 8> Pressure distribution in the spool fluid volume
스풀밸브내 유체체적에서 오일의 유량분포는 <그림 9>와 <그림10>에서 볼 수 있다. 유체의 유선은 평균유속(m/s)을 적용하여 색상으로 표현된다. 유선은 와류가 있는 임계영역을 분석하는데 도움이 된다. <그림 10>에서 스프링영역과 상부볼륨은 이러한 영역에서 유량분포의 특징을 분석하는데 유용하다.
<그림 9> Typical streamline colored by velocity magnitude inside the spool fluid volume
<그림 10> Typical streamline colored by velocity magnitude inside some spool fluid volume internal parts
Experimental data and model validation
다음은 실험결과와 밸브모델 검증결과를 보여준다.
<그림 11>의 실험데이터는 Duplomatic Oleodinamica S.p.A. 유압 실험실에서 도출된 결과이다.
<그림 11> Experimental/Model results comparison
Experimental data
앞에서 언급했듯이 밸브모델의 검증은 유압실험실에서 실험을 통해 얻은 데이터를 가지고 수행되어 왔다. 구조는 <그림 12>와 같고 실험장비의 기능을 설명하는데 사용되어 왔다.
트랜스 듀서의 출력 신호는 내셔널인스트루먼드사에서 제작된 하드웨어 / 소프트웨어 시스템에 의해 얻어지고 처리된다. 실험은 모빌사의 DTETM 25 (ISO VG 46) 오일을 가지고 40°C 정온에서 수행되었다. 실험 데이터 (적색 선)과 모델해석 결과 (녹색 라인) 사이의 비교를 통해서 결과를 비교하는 것도 가능하다.
모든 다른 분석예제의 경우에서 모델해석 결과와 실험결과의 차이는 2% 미만이다. 유량은 항상 거의 10 l/min이다. 이처럼 이 논문의 목적은 분석된 밸브의 내부 유체-동력학적 설계이며 6 l/min의 목표값까지 전달 유량을 감소시킨다.
<그림 12> Test bench hydraulic scheme
Model application : New valve design
앞에서 설명한 것 처럼 스풀 내부의 구성이 다른 여러 형상에 대해서도 모델링 및 분석이 가능하다. 밸브의 모든 주요부분은 비판적으로 분석되어야 하며 그것을 통해 밸브성능에서 가장 중요한 인자는 스풀의 입국직경인 것을 알 수 있다. 목표로 하는 성능을 얻기 위해 또한 유입포트는 와류와 압력강하가 가장 중요한 영향을 미치는 것 중 하나인 것으로 밝혀졌다.
다음에는 기본해석모델에서 시작해서 스풀의 입구직경의 변화<그림 13a, 13b 참조>와 같이 서로 다른 두 가지 경우를 분석하게 된다. 이러한 과정의 목적은 와류의 강도를 감소시키고 그를 통해 분배 포트에서 목표로 하는 유량을 얻는 것이다. 기본 내부형상으로부터 새로운 스풀 밸브를 설계할 수 있다. 특히 다음과 같은 경우를 해석하였다.
<그림 13a> New valve design
CASE 1: Base line; §
CASE 2 : Inlet internal diameter reduction (reduction of 0.4mm);
CASE 3 : Inlet internal diameter reduction (reduction of 0.1mm);
<그림 13b> New spool design
우선 3D CAD로부터 그림 13과 같은 새로운 형상을 준비한다. 그리고 윤활면과 같이 젖은 부분을 고려하여 유체체적을 추출하였다. 그리고 나서 유체의 체적은 PumpLinx®의 그리드 생성기를 이용하여 격자를 만들었다.
유체-동력학 3차원 해석결과는 [표 1]에 나타내었다.
[표 1] Model results
모델링 해석결과는 [표 1]에 150bar에서 예측된 출력유량을 나타내었다. 다음 그림에서 일부 모델의 결과를 볼 수 있다. 각각의 경우에서 스풀 유동체적 내부의 유선간의 모든 비교는 <그림 14>에 나타내었다.
<그림 14>에서 볼 수 있듯이 스풀 내부에서 유체의 속도는 케이스1에서 케이스 2, 3으로 갈수록 감소하고 있다. 3차원으로 접근하면 <그림 15>에 나타낸 것처럼 유체체적 단면에서의 압력분포를 나타내는 것이 가능하다.
<그림 14> Streamlines inside the fluid volume
<그림 15> Pressure distribution in a valve section
새로운 두 가지 경우에 대한 압력분포는 특히 3번 케이스처럼 모든 스풀 유체체적에서 우수하다. 내부 스풀 유체체적내의 압력은 <그림 16>에 나타내었다.
이미 언급한 바와 같이 해석된 모델을 사용하여 모든 작동조건에서 밸브의 동작을 비교하는 것은 가능하다. < 그림 17>에 상부(volume 1)와 하부(volume2)의 압력평균을 나타내었다.
<그림 16> Pressure distribution in a valve section
<그림 17> Pressure inside the top and bottom spool area
[표 2]에 각각의 경우에 압력 평균값을 나타내었다. 이 표는 다양한 내부 스풀 유동공간이 예상하는 것처럼 상하단의 공간이 영향을 미치는지에 대해 나타내고 있다.
[표 2] Streamlines inside the fluid volume
이 방법을 사용하면 밸브 내부에서 스풀의 위치를 추정할 수 있다. [표 3]에서 각각의 경우에 대해 다른 스풀의 위치를 보여준다. 스풀의 위치는 스풀에 작용하는 내부 힘의 영향을 받게 되며 이러한 힘의 분석은 [표 3]에 나타내었다.
[표 3]> Pressure distribution in a valve section
<그림 18> Valve fluid volume – Forces study
케이스 2와 3에서의 힘은 케이스 1에 비해 항상 적다. 상기와 같이 스풀의 위치는 스풀에 작용하는 내부유동의 함수이고 높은 힘을 갖는 F1 값은 가장 큰 스풀 변위와 높은 유량을 의미한다. 최선의 스풀 구성(케이스 2)은 최소 스풀 변위 값을 가지게 되며 유량은 케이스 1과 3에 비해 적게 된다.
[표 4] Forces study
3차원 CFD 해석을 시작하면서 두 개의 프로토타입을 만들고 실험하였다. 케이스 2와 케이스 3과같은 새로 수행된 실험에서 유량과 관련해서는 높은 정확도와 좋은 결과를 보여주고 있다. 새로 설계한 토우 밸브의 프로토타입은 Duplomatic Oleodinamica S.p.A.의 유압 실험실에서 실험하였으며 모델 해석결과와 실험데이터간에 좋은 상관관계를 보여주고 있다. <그림 25>는 케이스 2의 비교된 결과를 보여주고 있으며 그림 19와 20은 모든 분석 밸브들에 대해 실험 데이터를 비교한 내용을 보여주고 있다.
<그림 19> Experimental/Model results comparison,
case 2
<그림 20> Experimental/Model results comparison,
case 3
Conclusions
본 논문에서는 3차원 CFD해석을 통해 새로운 양방향 유량제어밸브를 모델링하는 접근방법을 보여주고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이, 이러한 방법론의 구현으로 인해 어떤 형상의 변화도 없이 내부 형상변화에 의해 유도된 와류가 크게 감소되어 요구하는 유량에 맞는 설계를 할 수 있게 되었다. 또한 결과적으로 할당된 동작조건에서 더욱 일정한 유적선을 갖는 것이 가능하게 되었다.
3차원 유동해석모델의 결과는 실험실에서 시간이 많이 소요되는 정확한 실험을 통해 얻어진 데이터에 의해 확인되었다. 3차원 해석소프트웨어를 통한 적용가능성은 특히 이러한 유형의 어플리케이션에 적합하고 매우 짧은 계산시간을 통해 좋은 결과를 얻을 수 있는 기회를 제공하였다. 이것은 본 연구활동의 가장 중요한 목표중의 하나이다. 마지막으로 이러한 방법론은 짧은 계산시간과 적은 비용으로도 설계단계를 최적화하는데 좋은 기회를 제공할 수 있다. 게다가 이러한 연구활동은 현장에서 운용을 하는 회사와 실질적인 협력관계를 가지면서 유압부품과 관련된 복잡한 유체역학적 현상들에 대한 유용한 지식을 얻을 수 있는 기회를 우리팀에게 제공하고 있다. 그러므로 이러한 경험들은 이와 같은 복잡한 유압시스템을 가지는 다른 분야에도 적용되었다.
반도체 소자 식각/증착 공정해석용 K-SPEED 소개
K-SPEED는 반도체 핵심 공정들인 식각/증착 공정들의 물리화학적인 현상들을 고려하여 실제 엔지니어들이 사용하는 공정변수에 따른 3차원 반도체 구조물 및 bowing, necking, etch stop, polymer passivation, etch rate등을 사전에 예측하기 위한 전산해석 프로그램입니다.
이러한, K-SPEED는 차세대 나노스케일의 반도체 제조공정에 적용하기 위한 임계 식각 기술로 알려진 높은 종회비를 갖는 절연막 식각공정에 특화되어있습니다. 절연막 식각은 절연막으로 분리된 도선 및 소자간 연결을 위한 공정으로 원형 컨택 형성 공정이 주를 이루며, 이를 물리화학적으로 예측하기 위해서는 실증적 화학반응데이터가 구비되어야 합니다.
K-SPEED는 다년간 국내 개발진과 컨소시엄을 구축하여 플루오로카본 계열의 가스를 이용한 절연막 식각공정에 대해 선행연구를 진행하였고, 이를 기반으로 실증적인 화학반응데이터가 K-SPEED에 탑재되었습니다.
일반적으로 3차원 형상예측 프로그램은 막대한 메모리와 많은 계산시간이 소요가 되는데, K-SPEED는 해쉬맵과 압축방법을 도입하여 일반 데스크톱에서도 구동될 수 있도록 메모리량을 줄였으며, GPU를 활용한 병렬기법 도입으로 유사 프로그램 대비 계산 속도를 약 20배 이상 단축시켰습니다.
이러한 K-SPEED는 유사 프로그램 대비 기술적/이론적 비교우위를 통하여 국내 소자업체에 판매되고 있으며, 시장선점 및 확장을 위해 지속적으로 개발을 수행하고 있습니다.
화학공학회 2015년도 가을총회 및 학술대회
일시 : 2015. 10. 21(수) ~ 23(금)
장소 : 일산 킨텍스
경원테크는 본 학술대회에 전시참가를 할 예정입니다.
대한기계학회 창립 70주년 기념 학술대회
일시 : 2015. 11. 10(화) ~ 14(토)
장소 : ICC 제주
경원테크는 본 학술대회에 전시참가를 할 예정입니다.
제20회 2015 한국기계전 - JEJOUP 혁신포럼 개최
일시 : 2015. 10. 28(수) ~ 31(토)
장소 : 일산 킨텍스 제1전시장 3/4/5홀, 제2전시장 7/8홀
한국기계산업진흥회 주관으로 열리게 되었으며, 이 행사에서 국산소프트웨어의 활용사례로 단조전용 해석소프트웨어인 MFRC를 비롯하여 Functionbay의 Recurdye, VMTech의 MAPS-3D등의 해석결과를 EnSight로 가시화한 사례등을 발표합니다.
또한 메르스로 연기되었던 혁신포럼을 10월 30일(금) 한국기계전 부대행사로 진행될 예정입니다.
2nd Short Course on Computational Fluid Dynamics in Rotary Positive Displacement Ma-chines City University London
일시 : 2015. 9. 5(토) ~ 6(일)
장소 : City University London Northampton Square London, EC1V 0HB United Kingdom
이 학회에서 Simeric사의 Hui Ding와 Sam Lowry씨는 Overview of capabilities of PumpLinx Solver, Solution methodology, Multiphase modeling practices 그리고 Test cases 소개등의 내용으로 발표를 할 예정입니다.
[06/12] 제품 소개자료, 카다로그 FAQ 등록
[06/05] Simerics MP 교육으로 재변경
[06/04] 표면처리 CAE 해석기술교육 안내
[05/06] 7월 PumpLinx 교육 일정변경 => 7/2
[02/16] Simerics -> Fluid-CAD&CFD 교육으로 변경
[Simerics MP] 9/24, 10/29, 11/27(목), 12/18(금)
[EnSight] 9/8, 10/12~13, 11/10, 12/7~8(화-수)
[PumpLinx] 9/17, 10/22, 11/19, 12/17 (목)
[Barracuda] 8/26~28, 11/4~6 (수~금)
[CHEMKIN] 9/16, 11/18 (수) [FORTE] 9/15, 11/17(화)
작성일 : 2015-09-17
