Casting model

상용 전산유체역학 소프트웨어를 이용한 다공성 세라믹 주조 몰드의 열물성 검증

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 다공성 세라믹 주조 몰드의 열물성을 검증하고 실험 결과와 비교함.
  • 기존 연구에서 실험적으로 도출된 몰드의 열물성이 CFD 시뮬레이션을 통해 검증될 수 있는지 평가함.
  • 실험적 측정값과 CFD 예측값을 비교하여 몰드의 열전도율, 비열 용량, 열팽창 계수의 정확성을 검토함.
  • 항공우주 산업에서 사용되는 몰드의 열적 거동을 보다 정확히 분석하여 고품질 주조 공정을 지원함.

연구 방법

  1. 실험적 주조 테스트
    • TPC Components AB 주조 공장에서 실제 크기의 Ni-초합금(IN718) 주조 실험 수행함.
    • 10층으로 구성된 테스트 몰드를 제작하고, 몰드 두께를 따라 여러 개의 열전대를 배치함.
    • 열전대 데이터를 기반으로 몰드 내부 및 금속 온도 프로파일을 분석함.
    • 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션 결과와 비교하여 정확도를 평가함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • 실제 실험 조건을 반영하여 몰드 형상을 모델링하고, 압력 변화 경계를 설정함.
    • 몰드 내부와 외부의 온도 차이를 반영하여 공기층 형성을 고려함.
    • 몰드의 열전달 계수(HTC)와 방사율 값을 문헌 데이터를 기반으로 설정함.
    • Python 스크립트를 활용하여 시뮬레이션 데이터를 열전대 측정값과 비교함.
  3. 열물성 분석
    • 시차 주사 열량법(DSC)을 이용하여 몰드의 비열 용량을 측정함.
    • 레이저 플래시 분석(LFA)으로 열확산율을 평가하여 열전도율을 산출함.
    • 팽창계(dilatometry)를 사용하여 몰드의 열팽창 계수를 측정함.
    • 실험값과 시뮬레이션 예측값을 비교하여 몰드의 열물성을 검증함.
  4. 결과 검증
    • 실험 데이터와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과를 비교하여 CFD 모델의 신뢰성을 평가함.
    • 실험값과 계산값 간 차이를 분석하고, 주요 원인을 규명함.
    • 몰드의 다층 구조에 따른 열적 거동을 평가하고, 추가 연구 방향을 제시함.

주요 결과

  1. 온도 프로파일 비교
    • 시뮬레이션 결과는 실험값과 높은 상관성을 보이며, 몰드 내부 온도 변화를 잘 재현함.
    • 금속이 주입될 때 온도 상승 패턴이 실험과 유사하게 나타남.
    • 열전대 측정값과 CFD 예측값 간 평균 오차는 약 2~5% 수준으로 나타남.
  2. 비열 용량 및 열팽창 계수
    • 실험 데이터를 기반으로 몰드의 평균 비열 용량을 결정함.
    • 몰드의 열팽창 계수는 실험 결과와 문헌 데이터와 비교하여 높은 일관성을 보임.
    • 몰드 조성 중 지르코늄과 실리카 함량이 열팽창 특성에 영향을 미치는 것으로 나타남.
  3. 열전도율 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 측정값이 유사한 열전도율 경향을 나타냄.
    • 고온에서 몰드의 열전도율이 증가하는 경향이 확인됨.
    • 몰드의 층별 조성이 열전도 특성에 미치는 영향을 평가함.
  4. 시뮬레이션과 실험 데이터 비교
    • 전체적으로 CFD 모델이 몰드의 열적 거동을 잘 예측하지만, 일부 고온 영역에서 오차가 존재함.
    • 몰드 내부 구조 및 표면 조도를 추가로 고려해야 정확성을 향상시킬 수 있음.
    • 향후 연구에서는 몰드의 다층 구조를 개별적으로 분석하는 방식이 필요함.

결론

  • FLOW-3D는 다공성 세라믹 몰드의 열적 거동을 신뢰성 있게 예측할 수 있음.
  • 실험적으로 측정된 몰드의 열물성 값과 CFD 예측값이 높은 상관성을 보임.
  • 일부 고온 영역에서 오차가 존재하므로 추가적인 실험적 검증이 필요함.
  • 향후 연구에서는 몰드의 층별 특성을 반영한 정밀 모델링이 필요함.

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