개요

이 해석 프로젝트의 목적은 유동 팬 가동에 따른 밀폐공간 내 유동분포를 예측하는 것입니다. 이를 위해 상용 CFD 해석 소프트웨어인 Ansys Fluent 2022 R2를 사용하였습니다. 내부 유동장 범위는 가로 160m, 세로 120m, 높이 12m 크기의 육면체로 형상화 하였습니다. 내부 공기 순환을 위한 3가지 종류의 팬이 설치되어 있으며 7M 높이에 팬 4개, 4.5M 높이에 팬 2개, 바닥에 스탠드형 팬 5개 총 11개가 설치 되어있습니다. 팬에서 내부 공기는 가속되며 모멘텀 소스의 크기는 Fan 출구에서의 회전수가 각각 72RPM, 55RPM, 210RPM이 되도록 선정하였습니다. 지면으로부터 2.5M 높이 하부는 60도, 상부는 20도로 초기온도를 설정하였으며, 외벽은 외부와 완전 단열로 설정하였습니다. 모든 영역은 공기와 외벽으로 이루어져 있으며 공기의 경우는 표준 상태의 대기압의 물성치를 이용하였습니다.

Pre-Processing

3D 형상은 제공된 도면을 기반으로 작성하였습니다. 유체를 구분하는 셀 존은 팬 회전 영역, 팬의 고체 영역 그리고 창고를 이루는 메인 유체 영역으로 구분하였습니다. 전체 공간의 크기는 길이 160 m, 폭 120 m, 높이 12 m 이며, 공간 내부에 랙 구조물 6개가 포함되어 있습니다.

총 메쉬 격자의 수는 컴퓨터의 자원과 해석의 신뢰성 여부를 고려하여 대략 1700만개로 이루어져 있으며 본 모델에서는 팬의 회전 영역과 가까운 곳은 조밀하게 반대로 먼 곳은 상대적으로 여유 있게 생성하였습니다. 최소 격자의 간격을 50mm로 설정하고 1.12배씩 증가하도록 하였으며, 최대 격자 간격이 최소한 500mm 이내가 되도록 설정하였습니다.

팬이 구동하는 내부 유동장을 해석하기 위해 Navier-Stockes 방정식과 RANS 방정식을 사용하였으며 난류 모델로는 Realizable K-epsilon을 사용하였습니다. 또한, 열 부력이 난류 유동 및 공기 흐름에 미치는 영향을 묘사하기 위해 buoyancy 옵션을 추가로 선택하여 온도 변화에 따른 공기 밀도변화가 유동에 미치는 영향을 고려할 수 있도록 하였습니다.

Solving

유한요소모델을 이루는 작동유체는 공기로 설정하였으며, 외벽 조건에는 열전달 현상이 발생하지 않는 단열조건을 인가하였습니다. 지면으로부터 2.5 m 높이의 유체영역에는 초기온도 60도를 설정하였으며, 상부는 상대적으로 차가운 공기 20도를 인가하였습니다. 창고 내부에는 세 가지 종류의 팬이 회전합니다. 각 팬의 회전 속도는 아래와 같습니다. 이러한 경계조건을 통해 온도차가 발생하는 실내공간에서 팬이 가동됨에 따라 공간 내의 유체들이 고르게 퍼지는 현상을 모사하였습니다.

Post-Processing

아래 그림은 시간 흐름에 따른 공간 내의 온도 분포를 나타냅니다. 팬이 가동되어 상부의 낮은 온도의 공기들이 하강함에 따라 하부에 정체된 높은 온도의 공기들이 냉각 및 순환되는 것을 확인할 수 있습니다.

아래 그림은 팬에서 발생되는 벡터(유체의 속력, 방향) 결과를 나타냅니다. 팬을 중심으로 내부 유동장으로 유체들이 퍼지는 것을 확인할 수 있습니다.