주변의 모든 물체는 에너지를 보유하고, 그 정도에 따라 온도가 변화하게 됩니다. COVID-19 시대에 발열 증상으로 인해 특히 인체의 온도에 의한 측정을 유례없이 진행하기도 하였습니다.
전자장비, 화력, 원자력, 수력, 태양광 발전소 등 다양한 산업 시설에서는 우리가 인지하는 온도보다 훨씬 고온의 온도를 다루게 됩니다. 이에 따라 열팽창에 의한 파손 위험성이 높아지게 되고 고온 환경일수록 매우 민감하게 설계에 적용하기도 합니다.
시간에 따른 온도변화에 대한 해석이 필요한 이유는 무엇인가?
우리는 주변에 많은 에너지, 열에 노출되어 있습니다. 익숙한 체온부터, 가스불, 태양 복사열, 에어컨 등 생활에서 다양하게 인지하고 느끼게 됩니다. 하지만 생활하면서 그 온도의 변화가 얼마나 변화하는지 정량적으로 계측하기가 쉽지 않습니다.
최근 COVID-19 시대에서 발열 현상이 이슈화 되면서 열화상 카메라, 온도계 등 정량적인 계측이 가능한 방법에 대해 많이 접하게 되었습니다.
고온 환경의 장비, 전자장비, 발전소 물체 등에서는 우리가 접하는 온도와 다른 매우 높은 온도와 변형이 발생하게 되고 심하면 파손이 발생하는 문제가 나타납니다. 단순히 이야기 하면 온도가 높을 때 많은 팽창에 의해 찢어지거나, 칩 내부의 핵심 파트가 녹아 효율이 떨어지거나 Shut down 되는 문제가 생길 수도 있습니다.
온도의 변화는 단순히 수치의 변화 뿐 아니라 안전, 성능, 에너지 효율, 환경 및 수명 관리 측면에서 두드러집니다. 특히, CAE SW 에서는 사용자가 설정한 input 데이터를 기반으로 적용하므로 가상 조건에 대한 정확한 이해와 적용이 필요합니다.
과도 열전달 해석에 대해 해석적 접근을 할 수 있을까요?
CAE SW를 통한 해석시 가상 공간에 구조물을 모사해놓고 다양한 조건을 모사하여 해석할 수 있습니다. 필요에 따라 정상상태에 대하여 빠르게 해석이 가능하고, 변화에 대한 추적이 필요한 경우 과도 상태에 대한 해석을 수행합니다.
온도 변화에 따라 추적하며 해석을 할 때 보편적으로 2가지의 고려합니다. 물체의 기하학적 형태와 물성은 열전달에 큰 영향을 미칩니다. 물체의 크기, 모양, 재료 특성, 열전달 면적 등에 따라 매우 큰 오차값이 생길 수 있습니다. 또한, 초기 조건과 경계 조건은 해석적 모델의 핵심입니다.
초기 온도 분포와 경계에서의 열전달 조건(대류, 복사)은 정확하게 설정되어야 합니다. 보편적인 상황에서 복사열의 스케일이 작으므로 무시할 수 있으나, 매개체가 없는 진공 상태나 높은 복사열이 생기는 고온 환경에서는 추가적인 고려가 필요합니다. 이번 예제에서는 매니폴드 구조물에 대해 Sheath Heater 발열에 의해 위치별 온도 변화에 대해 검토하고, 허용 온도 280도에 도달하는 시간을 확인하는 것을 목표로 합니다. 과도열전달 해석과, 열접촉 조건, 외기 조건에 의한 열손실 조건을 기준으로 확인해보도록 하겠습니다.
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