• Tribology and Lubricants
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• 제38권2호
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• pp.33-40
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• 2022

In this study, we present rotor dynamic analysis and operation test of a turbo expander for a hydrogen liquefaction plant. The turbo expander consists of a turbine and compressor wheel connected to a shaft supported by two hydrostatic radial and thrust bearings. In rotor dynamic analysis, the shaft is modeled as a rigid body, and the equations of motion for the shaft are solved using the unsteady Reynolds equation. Additionally, the operating test of the turbo expander has been performed in the test rig. Pressurized helium is supplied to the bearings at 8.5 bar. Furthermore, we monitor the shaft vibration and flow rate of the helium supplied to the bearings. The rotor dynamic analysis result shows that there are two critical speeds related with the rigid body mode under 40,000 rpm. At the first critical speed of 36,000 rpm, the vibration at the compressor side is maximum, whereas that of the turbine is maximum at the second critical speed of 40,000 rpm. The predicted maximum shaft vibration is 3 ㎛, whereas sub-synchronous vibration is not presented. The operation test results show that there are two critical speeds under the rated speed, and the measured vibration value agrees well with predicted value. The measured flow rate of the helium supplied to the bearing is 2.0 g/s, which also agrees well with the predicted data.

• 한국수자원학회논문집
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• 제54권11호
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• pp.1011-1019
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• 2021

본 연구에서는 제방 형태의 보를 월류하는 수중도수와 잠긴흐름을 수치모의 하였다. 수치모의를 위하여 URANS 방정식을 해석하였으며, 난류폐합식으로 k-𝜔 모형을 사용하였다. 기존의 실험결과를 이용하여 수치모형을 검증하였는데, 모의된 롤러의 형상, 자유수면, 그리고 평균유속분포가 실험결과와 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였다. 수중도수와 잠긴흐름에서 물의 체적비 분포를 비교하였으며, 각 흐름에 대한 2중 평균된 체적비의 특성을 제시하였다. 수치모의를 이용하여 보의 길이, 유량, 그리고 하류 수위에 따라 수중도수에서 잠긴흐름으로 천이되는 조건을 검토하였으며, 천이가 발생할 때의 상대 월류수심을 침수비의 함수로 제시하였다.

• Tribology and Lubricants
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• 제39권1호
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• pp.28-34
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• 2023

Because of their cleanliness, low friction, and high stiffness, aerostatic bearings are used in numerous applications. Aerostic bearings that use porous materials as means of flow restriction have higher stiffness than other types of bearings and have been successfully applied as guide bearings, which have high motion accuracy requirements. However, the performances of porous bearings exhibit strong nonlinearity and can vary considerably depending on design parameters. Therefore, accurate prediction of the performance characteristics of porous bearings is necessary or their successful application. This study presents a porous bearing design and performance analysis for a spindle used in wafer polishing. The Reynolds and Darcy flow equations are solved to calculate the pressures in the lubrication film and porous busing, respectively. To verify the validity of the proposed analytical model, the calculated pressure distribution in the designed bearing is compared with that derived from previous research. Additional parametric studies are performed to determine the optimal design parameters. Analytical results show that optimal design parameters that obtain the maximum stiffness can be derived. In addition, the results show that cross-coupled stiffness increases with rotating speed. Thus, issues related to stability should be investigated at the design stage.

• 해양환경안전학회지
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• 제26권6호
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• pp.742-750
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• 2020

선체 부가물에서 발생하는 유동소음은 자체소음 관점에서 소나의 성능과 직결되고, 추진기 및 방향타와 상호작용을 통해 2차 소음원을 야기해 근접장 범위의 엄밀한 분석이 요구된다. 하지만 유동소음 해석에 적용되는 기존의 음향상사법은 음향 신호의 전파를 직접 모사하지 않는 간접법에 해당해 회절, 반사, 산란 특성을 고려할 수 없으며, 근접장 해석이 제한적이다. 본 연구에서는 격자 볼츠만 기법을 적용해 수중환경 유동소음의 전파과정을 직접 모사하였다. 격자 볼츠만 기법은 분자의 충돌과 흐름 과정을 통해 유동소음을 해석하는 기법으로, 압축성과 낮은 소산율, 낮은 분산율의 특성을 가지고 있어 소음해석에 적합하다. 선체 부가물 형상을 대상으로 RANS 해석을 통해 유동소음원을 도출하고, 유동-음향 경계면을 적용한 격자 볼츠만 기법으로 유동소음의 전파과정을 직접적으로 모사했다. 도출된 결과를 수음점의 위치에 따라 FW-H 결과 및 유체동압력 결과와 비교를 통해 근접장에서 타 기법 대비 격자 볼츠만 기법의 유용성을 확인했다.

• 대한조선학회논문집
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• 제50권6호
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• pp.436-449
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• 2013

In this paper, a numerical analysis is carried out to study the characteristics of supercavitating flows and the drag of relatively simple two-dimensional and axisymmetric bodies which can be used for supercavity generation device, cavitator, of a high-speed underwater vehicle. In order to investigate the suitability of numerical models, cavity flows around the hemispherical head form and two-dimensional wedge are calculated with combinations of three turbulence models(standard $k-{\epsilon}$, realizable $k-{\epsilon}$, Reynolds stress) and two cavitation models(Schnerr-Sauer, Zwart-Gerber-Belamri). From the results, it is confirmed that the calculated cavity flow is more affected by the turbulence model than the cavitation model. For the calculation of steady state cavity flows, the convergence in case of the realizable $k-{\epsilon}$ model is better than the other turbulence models. The numerical result of the Schnerr-Sauer cavitation model is changed less by turbulence model and more robust than the Zwart-Gerber-Belamri model. Thus the realizable $k-{\epsilon}$ turbulence model and the Schnerr-Sauer cavitation model are applied to calculate supercavitating flows around disks, two dimensional $10^{\circ}$ and $30^{\circ}$ wedges. In case of the disk, the cavitation number dependences of the cavity size and the drag coefficient predicted are similar to either experimental data or Reichardt's semi-empirical equations, but the drag coefficient is overestimated about 3% higher than the Reichardt's equation. In case of the wedges, the cavitation number dependences of the cavity size are similar to experimental data and Newman's linear theory, and the agreement of the cavity length predicted and Newman's linear theory becomes better as decreasing cavitation number. However, the drag coefficients of wedges agree more with experimental data than those of Newman's analytic solution. The cavitation number dependences of the drag coefficients of both the disk and the wedge appear linear and simple formula for estimating the drag of supercavitating disks and wedges are suggested. Consequently, the CFD scheme of this study can be applied for numerical analysis of supercavitating flows of the cavitator and the cavitator design.

• 대한기계학회논문집A
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• 제36권10호
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• pp.1139-1146
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• 2012

P1 비순응 요소를 이용하여 정상 비압축성 Navier-Stokes 유동의 위상최적화 문제를 푸는 방법을 제시한다. 본 연구는 Stokes 유동의 위상최적화 문제에 P1 비순응 요소를 적용하여 그 수치적 효용성을 보인바 있는 이전 연구에 대한 후속 연구이다. 비압축성 물질 해석에서 잠김현상이 발생하지 않으며 선형형상함수를 가지는 P1 비순응 요소의 장점이 관성항을 가지는 유체 문제의 해석과 설계에도 유효한 지를 파악하고자 한다. 일반적으로 사용되는 혼합정식화법과 비교하여 P1 비순응 요소의 사용은 벌칙 함수를 이용하여 연속 방정식을 따로 사용하지 않고 운동방정식에 부과할 수 있기 때문에 자유도의 개수를 감소시킬 수 있다. 벌칙 파라미터가 해의 정확도에 주는 영향과 적정 범위는 수치적으로 검토하도록 한다. 또한 보통의 사각 비순응 요소들이 요소면의 중앙에 절점을 가지고 고차의 형상함수를 지니는데 비하여, 본 연구에서 제시하는 P1 비순응 요소는 요소의 꼭지점에 절점을 가지고 {1, x, y}의 P1 형상함수로 구성됨으로써 수치적인 구현의 용이함이 일반 선형 사절점 요소와 동일하다. 제안한 방법의 효용성을 다양한 레이놀즈수에 따른 유동최적화 문제들을 살펴봄으로써 검증하도록 한다.

• KSTLE International Journal
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• 제7권2호
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• pp.27-34
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• 2006

Knudsen number is the ratio of molecular mean free path versus mm thickness and the criterion to determine the flow form. When its value is lower than 0.01, the flow can be assumed to has no slip boundary condition. And in the case that the value is between 0.01 and 10, then the flow has slip boundary condition at both the adjacent walls. The condition of the air flow between the rotating journal and top foil in the air foil bearing is determined by the rotating speed and load, and the Knudsen number is also varied by those values. Because the molecular mean free path is variable to the pressure and temperature, more exact formulation is necessary to understand and analyze the flow regime. In this study, the analysis considering Knudsen number formulated with those variables (pressure, temperature and mm thickness) was executed. The approximate value was examined using the equation to confirm whether the flow has the slip or no-slip boundary condition. From the analytic investigation, it was decided to range approximately 0.01 to 1.0 and the flow can be supposed to have the slip boundary condition. Under the condition of the slip flow, the static characteristics of the air foil bearing were examined using modified Reynolds equations. The results were compared with those considering no slip condition. It shows that the slip condition makes the flow decelerates and the load carrying capacity decreases compared with no slip condition. And as the bearing number and eccentricity ratio increase, the load carrying capacity also increased at both the cases. From this result, it can be supposed that the bearing torque also increases. In the analysis of the dynamic characteristics, the perturbed Knudsen number was taken into consideration. Because the Knudsen number is expressed as the terms of each variable, the perturbed equation can be simply derived. The results of both cases considering and not considering Knudsen number were compared each other. In the case of the direct terms of the stiffness and damping coefficients, the difference between both cases was little and increased as the bearing number and eccentricity ratio increased. And the cross terms have less or more differences.

• 대한조선학회논문집
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• 제30권2호
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• pp.76-85
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• 1993

자유표면과 수면하 vortex 유동과의 상호작용으로 생기는 수면위의 특이 형상을 실험과 수치해석으로 얻어진 결과에 근거하여 논하였다. 먼저 2차원적인 실험이나 해석적인 연구로 이해될 수 있는 "striation"의 발생을 살펴 본다. "Scar"라 불리우는 striation과 수직한 형상은 2차원 vortex filament와 vortex pair 생성시 생겨나는 residual vortex의 상호작용으로 설명하였다. 간단하면서도 중요한 상호작용의 역학을 연구할 목적으로 vortex ring이 자유표면과 수직하게 충돌할 경우에 나타나는 현상들을 실험적으로 논하였고 이때 상호작용의 초기단계를 축대칭 문제로 하여 수치해석적으로 얻어진 결과와 비교하였다. 상호작용의 후기단계는 vortex reconnection을 포함하는 복잡한 과정인데 이때 수면에서의 짧은파 생성을 vortex ring의 수면과의 경사진 충돌로 설명하였다. 또한 위의 수면과 생성을 간단한 해석적 model로 재구성하여 비교해 보았다. 끝으로 수면위에 존재하는 오염물질이 수면하 vortex 유동에 미치는 영향을 수치해석적인 방법으로 free slip및 rigid wall 조건의 경우와 비교하여 살펴보았다.

• 한국지진공학회논문집
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• 제7권2호
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• pp.21-27
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• 2003

일반적으로 유체-구조물 상호작용을 고려한 유체속 구조물들의 지진 및 진동해석에는 주어진 시스템에 대한 유체부가질량을 추정하여 구조물관 연계하는 단순해석 방법을 주로 사용한다. 실제로 유체속 구조물의 응답특성은 유체부가질량 뿐만 아니라 유체점성으로 인한 감쇠영향을 받으며 이들은 모두 연계항을 갖는 복잡한 행렬 형태로 나타난다. 본 연구에서는 비점성 및 점성 유체에 대한 Navier-Stokes 지배방정식의 선형화를 통한 유한요소 정식화를 유도하였다. 이를 이용하여 유한요소 해석 프로그램을 작성하고 6각형 단면특성을 갖는 액체금속로 노심에 대하여 덕트집합체 사이의 유체간격과 레이놀즈수 변화에 따른 유체부가질량과 유체감쇠에 대한 유한 요소 해석을 수행한 결과, 유체간격이 줄어들수록 유체부가질량은 유체점성의 영향을 크게 받고 유체감쇠는 점성으로 인하여 레이놀즈수의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한 편심을 갖는 동축원통에 대한 유한요소 해석결과, 편심이 증가할수록 유체부가질량은 크게 증가하지만 유체감쇠는 편심이 작은 경우 거의 변화가 없으며 어느 일정 수준이상으로 편심이 커질 경우에는 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제19권1호
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• pp.81-96
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• 2007

단조해안에서의 비선형 천수거동을 가장 강건한 파랑모형인 Navier Stokes 식에 기초하여 수치모의 하였다. 이와 더불어 SUPERTANK LABORATORY DATA COLLECTION PROJECT(Krauss et al., 1992)에서 취득한 자료를 활용하여 Reynolds 응력에 대한 구배모형의 한계를 검증하였다. 취득한 쇄파대 유동계의 자기상관함수는 상당한 특성길이를 지니며 이러한 결과는 구배모형이 큰 오류를 야기할 수 있다는 사실을 시사한다. 이러한 인식에 기초하여 파랑모형은 Large Eddy Simulation(LES), Smooth Particle Hydrodynamics(SPH), Gaussian kernel function을 사용하여 수치 적분하였다. 잔차응력은 Lagrangian Dynamic Smagronski 모형(Meneveau et al.,1996)을 활용하여 모의하였으며 모의 기간 중 유체 알갱이간의 이격거리는 관성부영역의 특성길이보다 작게 유지되도록 노력하였다. 천수과정에서 진행되는 동조 비동조 고차 조화성분으로 전이된 파랑에너지로 인해 상당히 예리하고 왜도된 파형, 파형의 마루로부터 시작되는 물입자 자유낙하, 착수로 인한 커다란 물보라의 형성, 물보라 형성층의 해변으로의 이행, wave finger(Narayanaswamy와 Darlymple, 2002) 등이 비교적 정확히 재현되는 등 상당히 고무적인 결과를 얻었다.