Fluid-Structure-Interaction FSI with mechanical contact? In one simulation? Yes, in one!

21세기 자동차의 첨단 센서와 카메라의 안전한 작동과 1891년 Dunlop 자전거 밸브의 발명(미국 특허 US455899 )의 공통점은 무엇입니까?

21세기 자동차용 센서                               19세기 삽화 

씰, 개스킷, 밸브 및 노즐과 같은 많은 응용 분야는 고체 사이의 기계적 접촉과 함께 FSI(유체 구조 상호 작용)를 의미합니다. 접촉의 고도의 비선형 특성으로 인해 특히 FSI와 같은 다중 물리학 응용 프로그램에서 각각의 접촉 모델링을 무시하는 경향이 있습니다. 많은 응용 분야에서 유체 구조 상호 작용과 함께 기계적 접촉을 모델링할 수 있다는 것은 물리적으로 의미 있는 시뮬레이션을 수행할 수 있는 핵심 요소이기도 합니다.

 

이 기사를 통해 그 방법과 이유에 대해 이해하는데 도움이 될 것입니다!!

까다로운 결합 다중 물리학 응용 프로그램을 간단한 방식으로 해결

-        센서 및 카메라 노즐, 영리한 디자인

카메라와 센서가 선명한 이미지나 신호를 생성하려면 깨끗한 렌즈가 필요합니다. 자동차에 설치되는 많은 것들은 먼지와 파편에 노출되기 때문에 정기적인 청소는 필수입니다. 이것은 일반적으로 노즐에서 액체 스프레이를 사용하여 수행됩니다.
아래에서 센서와 카메라 노즐의 단순하지만 영리한 디자인을 볼 수 있습니다. 커넥터, 고무 슬리브 및 노즐의 세 부분으로 구성됩니다.

 

센서 및 카메라 클리닝 노즐 설계

-        솔리드 바디와 탄성 바디의 기계적 접촉 모델링, 새로운 모델 도입

고무 슬리브는 어셈블리를 밀봉하고 밸브 역할을 합니다. 이를 설명하기 위해 Simcenter STAR-CCM+ 에서 3D 모델을 만들었습니다 . 노즐과 커넥터는 단단한 것으로 가정하고 슬리브는 탄성 본체로 모델링됩니다. -슬리브와 커넥터-뿐만 아니라 -슬리브와 노즐- 사이의 접촉도 포함됩니다. 이것은 이제 테셀레이션된 형상 부품과의 기계적 접촉을 모델링할 수 있는 기능 덕분에 가능합니다.

아래 애니메이션은 세 부품의 조립 과정을 보여줍니다.

1. 먼저 커넥터를 고무 슬리브에 밀어 넣습니다.
2. 다음으로 노즐과 커넥터 사이에 고무 슬리브를 눌러 어셈블리를 밀봉합니다.

 

설치가 완료되면 슬리브가 커넥터에 있는 두 개의 방사형 구멍을 막습니다 (왼쪽 이미지 참조). 세척 시스템이 활성화되는 즉시 펌프가 켜집니다. 펌프는 액체를 가압하고 액체 압력으로 인해 슬리브가 변형됩니다. 이렇게 하면 슬리브 아래의 흐름 경로가 열립니다.

-        Dunlop 자전거 밸브에서 영감을 받은 모델

Dunlop 1891에 의해 개발된 자전거 밸브는 정확히 그렇게 작동합니다. 아래 이미지에서 얇은 고무 슬리브로 덮인 밸브 본체의 방사형 구멍을 볼 수 있습니다.

 

                                        자전거 밸브 – 1891년 Dunlop에서 개발(출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Dunlop_valve )

기계적 접촉을 통한 FSI 시뮬레이션 – 적용 사례

-        실용적인 접근

센서와 카메라 노즐의 모델은 디자인이 어떻게 작동하는지 설명하는 데 매우 유용한 것으로 입증되었습니다. 그러나 엔지니어링 가치는 어떻습니까? 예를 들어, 세척 시스템의 펌프가 1.0bar의 차압을 생성할 수 있다고 가정할 때 단위 시간당 얼마나 많은 액체가 노즐을 떠나게 될까요?

실용적인 방식으로 이 질문에 접근해 봅시다.

1. 먼저 슬리브의 내부 표면에 1.0bar의 압력 하중을 적용하고 변형을 계산합니다.
2. 다음으로 변형된 슬리브를 고려한 유로를 추출합니다.
3. 후속 유동 시뮬레이션에서 1.0 bar의 차압을 적용하고 유동장을 계산합니다.

아래 비디오는 이 접근 방식의 결과를 보여줍니다. 평균 질량 유량은 약 1.93g/s입니다.

 

기계적 접촉이 있는 FSI 시뮬레이션

위의 접근 방식은 문제가 있으며 잘못된 엔지니어링 결정으로 이어질 수 있습니다. 왜요? 실제로 슬리브의 변형은 흐름에 영향을 미치고 흐름은 슬리브의 변형에 영향을 미칩니다.

모델의 정확도와 엔지니어링 가치를 높이려면 유체와 구조 간의 양방향 연결을 고려해야 합니다. 흐름 모델과 구조 모델은 동일한 Simcenter STAR-CCM+ 시뮬레이션의 일부이기 때문에 이는 간단하고 공동 시뮬레이션도 필요하지 않습니다.

아래 비디오는 기계적 접촉이 있는 FSI 시뮬레이션을 사용한 결과를 보여줍니다. 입구의 압력은 1.0초 동안 0.0bar에서 1.0bar로 증가하고 그 후에는 압력이 1.0bar로 일정하게 유지됩니다. 1.0s와 1.5s 사이의 평균 질량 유량은 약 1.76g/s입니다.

 

양방향 결합 모델은 실용적인 접근 뒤에 있는 모델링 가정의 영향이 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 고무 슬리브의 변형은 매우 다르며 유동장도 마찬가지입니다. 뿐만 아니라 실용적인 접근 방식은 질량 유량을 약 10% 정도 과대 예측합니다.

우리가 특히 흥미롭게 발견한 또 하나의 사실은 슬리브 아래의 고속 흐름이 실제로 슬리브 팁을 방사형 안쪽으로 어떻게 빨아들이는지 보는 것입니다. 물론 이는 실용주의적 접근으로는 포착할 수 없는 효과다.

기계적 접촉이 있는 FSI 시뮬레이션, 최고의 정확도

센서 및 카메라 노즐 애플리케이션은 새로운 접촉 모델링 기능 이 세 가지 방식으로 Simcenter STAR-CCM+ 에 가치를 추가하는 방법을 보여줍니다.

• 첫째, 조립 과정에서 고무 슬리브가 어떻게 변형되는지 계산할 수 있습니다. 이것은 유용하지만 공정하게 말하면 다른 제품에서도 그렇게 할 수 있습니다.
• 둘째, 모델이 Simcenter STAR-CCM+ 의 일부라는 사실은 이를 다분야 방식으로 사용했음을 의미합니다. 이것은 실용적인 접근 방식으로 입증되었습니다. 슬리브의 변형을 계산하거나 보다 구체적으로 흐름 경로를 계산하기 위해 1.0 bar의 압력 하중이 적용되었습니다. 다음으로, 유동 솔루션이 계산되었습니다. 여기서 구조 모델과 흐름 모델이 동일한 시뮬레이션의 일부 라는 사실 은 이 워크플로를 간단하게 만듭니다. 예를 들어 데이터를 내보내고 가져올 필요가 없습니다.
• 셋째, 흐름 모델과 구조 모델은 동일한 시뮬레이션의 일부이므로 공동 시뮬레이션 없이도 유체와 구조 간의 양방향 연결을 정확하게 모델링할 수 있습니다. 나에게 이것은 이 기능을 정말 흥미롭게 만드는 것입니다. Simcenter STAR-CCM+ 의 일부가 되어 제공하는 부가 가치이며, 까다로운 결합 다중 물리학 응용 프로그램을 간단한 방식으로 해결할 수 있다는 사실입니다 .

By Siemens DISW Rafael Ritterbusch

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