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다상 유체 커플링 내부 유동 해석 연구

Flow Analysis of a Multiphase Hydraulic Coupling

초록/요약

본 연구에서는 수치해석을 통해 속도비, 작동유체의 충진율, 회전체 날개 각도 및 회전체 형상에 따른 내부유동특성을 파악하고자 하였다. 유체 커플링 내부의 물리현상을 정확히 계산하기 위해 Realizable k-ε 난류모델을 적용하였다. 다양한 충진율에 대하여 물과 공기 사이의 Interface capture를 위해 Volume of Fluid (VOF) 기법을 적용하여 해석을 수행하였다. 또한 실제 회전체의 회전을 모사하기 위해 이동 격자법을 적용하였다. 본 연구에서는 회전방향에 대하여 각각 +30˚, 0˚, -30˚의 날개각도를 사용하여 해석을 수행하였으며, 3개의 서로 다른 회전체 형상을 사용하였다. 수치해석 결과는 유체 커플링 내부 유동 특성을 파악하기 위해 다양한 작동조건에서의 상 분포, 속도성분, 내부 회전유량 및 토크에 대하여 도시하였다. 작동유체의 내부 회전 유량 및 토크는 케이스에 따라 특정 속도비에서 급격히 감소하며, 이는 고속도비에서 회전체 내경 방향으로 공기층이 형성되기 때문이다. 최종적으로 Primary wheel 날개 각도가 +30˚, Secondary wheel 날개각도가 -30˚ 일 때 높은 내부 회전유량과 토크 값을 가진다. 또한 회전체 형상이 위 아래로 긴 형태일 때 가장 높은 회전유량과 토크를 갖는다.

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초록/요약

The purpose of this paper is to numerically investigate flow characteristics inside a hydraulic coupling at different charged working fluid condition and speed ratios with different blade geometries and body shape. In order to accurately capture the physical phenomenon inside the hydraulic coupling, the unsteady turbulent flow simulations are conducted using the Realizable k-ε turbulence model. In addition, the Volume of Fluid (VOF) method is employed to simulate two-phase mixture of air and water inside the device. To resolve the interaction of passing blades of the primary and secondary wheel, the simulations are adopted sliding grid technique. It is investigated the flow inside hydraulic coupling for blade angles of +30˚, 0˚ and -30˚ in the direction of rotation. Also, three different body shapes are used. The results are presented and discussed in terms of phase distribution, velocity components, flow patterns water circulating flow rate and transmitted torque, which are crucial factors for understanding the flow characteristics of hydraulic coupling in various operating conditions. The results show that the circulating and torque rapidly decrease at special speed ratio from case to case, which is a result of formation (or increase) of unwet surfaces inside the wheels at higher speed ratios. Finally, the hydraulic coupling has highest torque when it has primary wheel blade angle +30˚, secondary wheel blade angle -30˚. Also, it gets highest values of circulating flow rate and transmitted torque in the shape of a up and down long.

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