다공매질 모델링을 이용한 혈액산화기의 유동과 열 및 산소전달의 수치해석 연구
Numerical Study on Flow, Heat and Oxygen Transfer of a Blood Oxygenator Using Porous Media Approach
- 주제(키워드) 혈액산화기 , 다공매질 , 체외막 산소공급 , 전산유체역학
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 허남건
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000061509
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
혈액산화기의 열교환기와 산화기에 사용되는 중공섬유 멤브레인에서의 유동과 열 및 산소전달은 혈액산화기 연구의 주된 관심사지만 그 미소한 구조로 인해 실험이 제약되며 수치해석에도 큰 계산비용이 따른다. 본 연구에서는 계산비용을 절약하기 위해 다공매질 모델링을 이용한 semi-microscopic 방법을 적용하여 혈액산화기의 유동, 열 및 산소전달을 수치해석했다. 혈액산화기의 중공섬유 멤브레인은 미소 단위체의 반복구조로 표현될 수 있다. 이러한 특성을 이용해 중공섬유 멤브레인의 미소 단위체와 주기경계조건을 이용한 유동해석을 수행하여 중공섬유 멤브레인의 유동저항과 열전달 모델을 도출했다. 도출된 모델을 이용해 중공섬유 멤브레인을 다공매질로 모델링했으며, 혈액산화기의 산소전달에 대한 무차원 경험식을 이용한 산소의 수송방정식을 수치해석에 도입하여 산소전달을 고려했다. 위와 같은 방법으로 혈액산화기의 기본설계 모델에 대한 수치해석을 수행하여 유동과 열 및 산소전달 특성을 분석했으며, 이를 토대로 열교환기와 산화기에 대한 설계개선을 수행했다. 그 결과 유동저항과 열교환 성능이 개선된 열교환기 유로설계와 낮은 유동저항과 균일한 유동분포가 나타나는 산화기 유로설계를 제안했다.
more초록/요약
The flow, heat and oxygen transfer inside hollow fiber membranes used in heat exchanger and oxygenator are of the main interest in study of a blood oxygenator. However, due to its microscopic structure, not only the experimental investigation is restricted but also the numerical analysis costs a huge computational power. In this study, a numerical analysis on flow, heat and oxygen transfer was carried out. In order to reduce computational cost, a semi-microscopic method based on the porous media approach was adopted. The hollow fiber membrane can be described as a repeating structure of a micro-scale representative part. Based on this repeating characteristic of hollow fiber membrane structure, numerical simulations using the detailed geometry of a representative repeating part of the hollow fiber membrane applied by periodic boundaries were conducted to draw flow resistance and heat transfer model of the hollow fiber membrane region. Then, by using these models, numerical simulations of the whole blood oxygenator model whose hollow fiber membrane regions are replaced by porous media were conducted. Also, the oxygen transfer is investigated by solving an oxygen transport equation with an empirical correlation describing the oxygen transfer characteristics of the hollow fiber membrane. The overall performances for three baseline designs were predicted and compared. Based on analysis results, design modification was conducted. As a result, modified designs to have lower flow resistance and uniformly distributed flow field were proposed.
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