[STAR-CCM+] 스프링 강성 반영 모핑 해석

요약

 이번 예제에서는 DFBI Morphing과 스프링 커플링(Spring Coupling)을 이용한 스프링이 장착된 밸브를 해석하는 방법에 대한 것이다.

 문제 설정 및 해석 방법

 이번 예제에서는 스프링이 장착된 밸브를 해석하는 방법을 설명한다. 또한, 이번 해석은 자바 메크로(Java macro)를 이용한다.

 형상 설정은 아래 그림과 같다.

 왼쪽 챔버(Box1)에 있는 입구(Inlet)을 통해서 시간에 따라 변하는 유동(flow)이 들어 온다. 스프링이 장착된 밸브는 왼쪽 챔버에서 오른쪽 챔버로의 유동을 제어한다. 유체가 입구를 통해서 들어 오면, 이 유동이 스프링이 장착된 밸브를 밀게 된다. 결국 왼쪽과 오른쪽 챔버를 연결하는 통로를 밸브가 막게 된다. 일정 시간이 흐른 후에 입구 유동은 중지 된다. 그렇기 때문에 스프링이 장착된 밸브에 작용하는 힘은 줄어 든다. 그 다음 밸브는 스프링 힘(복원력) 때문에 본래의 위치로 돌아 오고 두 챔버 사이의 유동 통로는 다시 열린다.

 시뮬레이션 설정을 위해서, 밸브에 작용하는 스프링 힘을 해석하기 위한 Linear Spring Coupling과 함께 DFBI Morphing Motion이 사용되었다. 이번 해석은 3개의 분리된 영역(Region)이 존재한다. Box 영역 각각에 대해 하나의 영역(Region)이 있고 밸브 바디(Body)는 Box1 영역의 일부이다. 추가로, Morpher로 불리는 원통 형상의 분리된 영역이 있다. 아래 그림을 참고한다.

 위 그림에서, 핑크색 실린더(원통)은 왼쪽 챔버 Box1에서 빼내기(Subtract) 했고 분리된 영역으로 설정되었다. 핑크색 실린더의 원통면은 Box1과 인터페이스를 가지고 있다. 밸브가 열리면, 유동이 이 인터페이스를 통해서 흐르고 이때 이 인터페이스는 Internal Interface로 설정된다. 밸브가 유체가 작용하는 힘에 의해서 오른쪽으로 이동하여 유동의 흐름이 정지했을 때, 이 Internal Interface는 Baffle Interface로 바뀐다. 인터페이스 유형의 변화는 첨부된 메크로(macro)를 이용하여 수행된다.

 형상 설정이 완료되면, 물리 모델과 메시(Physics and Mesh)를 만든다. Stagnation Inlet의 경계 값은 $press_st 필드 함수를 이용하여 설정한다. 이 번 예제에서는 아래 그림처럼 시간에 다라 변하는 압력 프로파일을 사용한다.

 그 다음에, Tools > Motions > New > DFBI Morphing에서 DFBI Morphing motion을 만든다. 

 DFBI Morphing motion에서 Linear Fitter를 선택한다.

 시뮬레이션 tree에 DFBI 노드가 생성된다. 해당 노드를 확장하고 아래 그림처럼 Continuum Body를 선택한다. 

 Body1 Properties 창에서 유체력이 작용하는 밸브 서피스를 모두 선택한다. 또한 밸브의 질량을 입력한다. Body Motion option에 대해, One-DOF Translating Motion을 선택한다. 이 옵션은 한 방향으로 이동 운동만 활성화함을 의미한다.

 One-DOF Translating Motion 서브 노드에서, 이동 방향을 설정한다. 

 최대 위치 옵션은 DFBI 바디 최대 변위를 제한한다. 왼쪽 챔버와 오른쪽 챔버 사이에서 교차되지 않도록 밸브의 운동을 제한할 필요가 있기 때문에 최대 위치 옵션에 0.0145m 값을 적용한다.

 밸브에 작용하는 스프링을 적용하기 위해서, 아래 메뉴에서 Spring-damper를 선택한다.

 여기서 스프링 특성을 설정한다. 아래 그림의 보라색으로 강조 표시된 두 면을 연결한다.

 위의 그림에 표시된 서피스의 좌표를 Position 1과 Position 2에 입력한다. 이 두 점(좌표) 사이의 초기 거리는 스프링의 Relaxation Length로 설정한다. 스프링 상수는 5000 N/m로 설정한다.

 이 문제의 설정은 모두 완료되었다. 이제 첨부된 자바 메크로에서 필요한 수정을 한다. 텍스트 편집기에서 자바 메크로를 열고 3개의 값을 설정한다.

 Valve_closure는 밸브가 닫힐 때의 최대 스프링 변위를 설정한다. 이 때 Internal Interface는 Baffle Interface로 바뀐다. 

 Valve_open은 밸브가 다시 열릴 때의 스프링 변위를 설정한다. 이 때 Baffle Interface는 internal interface로 바뀐다.

 위의 값 설정을 완료하고 저장하고 자바 메크로 파일을 닫는다. 이제 File > Macro > Play macro를 눌러서 자바 파일을 이용한 해석을 실행한다.

 마지막으로 결과를 확인 한다.