시뮬레이션을 활용한 필터 소재 구조 최적화 설계 및 사용수명 예측
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발행연도
2021
작성언어
Korean
주제어
KDC
550
자료형태
학술저널
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수록면
169-169(1쪽)
제공처
여러 산업분야에서 공기 정화를 위해 다양한 필터 소재를 사용하고 있으며, 최근 미세먼지 및 COVID-19 와 같은 공기 중 입자상 오염물질의 심각성으로 인해 필터 소재 기술개발의 중요성은 더욱 대두되고 있다. 공기 필터 소재는 등급에 따라 Pre-filter, Medium filter, HEPA filter 및 ULPA filter 로 분류된다. 본 등급은 서로 다른 입자 포집 효율을 나타내며, 적정 사양의 필터가 각 사용 환경에 맞게 설계되고 적용되어야 한다. 필터 설계에서 가장 중요한 요소는 압력 강하와 입자 포집 효율인데, 이 두 요소는 필터 두께, 섬유 직경, 기공도, 공기 투과도, 단위체적 당 밀도에 영향을 받는다. 또한 HVAC 시스템에 사용되는 필터는 일반적으로 쌓인 먼지를 청소하지 않고 사용하기 때문에 먼지 유지 용량도 필터 설계에서 매우 중요한 변수로 작용한다. 이는 필터의 사용 수명을 결정짓게 되는데, 각 층이 상이한 밀도를 가지는 Layer를 서로 겹치거나 Layer 사이에 공간을 두어 낮은 차압을 유지하며 효율은 오랫동안 유지할 수 있는 구조를 설계하는 방법들이 연구되고 있다. 이러한 구조 최적화 설계 방향 수립을 위한 조건별 성능 평가는 많은 시간과 비용이 소모되며, 일정 테스트 환경에서만 평가되기 때문에 실제 사용환경에서의 성능 및 수명을 예측할 수 없는 한계점이 있다.
본 연구는 필터 구조를 3 차원으로 형상화할 수 있는 전산모사 기법을 통해 소재를 가상으로 설계하고 성능을 예측하는 방법을 활용하여, 다양한 사용 환경에서도 낮은 차압을 유지하며 필터의 수명을 연장시킬 수 있는 구조적 설계 방향성을 제시하고자 하였다.
가상 모델링 및 시뮬레이션 해석을 수행하기 위해 상용 소프트웨어인 GeoDict® (Math 2Market Germany)를 활용하였다. X-ray Microscopy (Xradia 510 Versa, Carl Zeiss)로 촬영된 소재의 3 차원 이미지를 ImportGeo® module 로 불러와 3 차원 필터 모델을 구현하여 다양한 필터 구조를 설계한 후 성능 예측 비교를 수행하였다. 구현된 모델의 공기 투과도를 예측하기 위해 FlowDict® module을 활용하였으며, Flow 방향을 제외한 Tangential 방향의 경계면은 Periodic 조건을 주어 실제 현상을 모사하였다. 입자 로딩에 따른 효율 및 차압 예측은 FilterDict-media® module을 사용하였으며, 입자 충돌 현상은 ‘caught on first touch’ 모델을 반영하였다. 입자농도, 면속도, 총 입자량 등의 해석 조건은 실제 실험조건과 동일하게 모사하여 초기 성능 검증 후 다양한 사용환경을 고려한 수명예측을 수행하였다.
본 연구를 통해 실험으로만 확인할 수 있었던 필터 소재 구조에 따른 성능 변화를 시뮬레이션을 통해 다양한 변수를 고려하여 예측할 수 있었으며, 용도에 적합한 구조 최적화 설계를 수행할 수 있었다. 시험으로 예측할 수 없었던 사용 환경에서의 필터 사용수명을 예측함으로써, 수명을 연장할 수 있는 구조적 설계 방향성을 제시하는데 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
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