열해석(Heat Transfer Analysis)
자연계의 구조물에 온도차가 발생하면 열흐름이 발생합니다. 열전달해석(heat transfer analysis)은 이와 같이 구조물의 온도차에 의해 발생하는 열에너지 전달 현상을 예측하기 위한 해석입니다.
물질의 열전달 방식에는 전도(conduction), 대류(convection), 복사(radiation) 현상이 있습니다. 분자나 전자의 진동이 연쇄반응에 의해 고온에서 저온구역으로에너지를 전달하는 것을 전도라고 하고, 액체나 기체와 같이 매질의 이동에 의해 에너지가 전달되는 것을 대류라고 합니다. 서로 떨어져 있는 물체는 그 사이에 매질이 존재하지 않아도 전자기파 형태의 에너지를 교환할 수 있으며, 이를 복사라고 합니다.
열전달해석의 종류는 열흐름을 유발하는 조건들의 시간 의존성(time dependent)을 고려하는 과도상태(transient)해석과 과도상태를 지나서 에너지 평형상태인 정상상태(steady state)해석으로 분류합니다. 또한, 열흐름을 유발하는 조건들의 온도의존성(temperature dependent)을 고려하면 비선형해석, 그렇지 않으면 선형해석으로 구분합니다. 전달해석을 수행하면 물체의 온도 분포와 온도 분포에 의해 발생하는 열흐름 방향 및 크기 등을 파악할 수 있습니다.
실무에서는 열전달해석을 수행해서 계산된 온도 분포를 구조해석의 온도 하중으로 입력한 후 열응력과 열변형을 계산하는 열응력해석(thermal stress analysis)을 수행하는 경우가 일반적입니다.
· 온도차에 의해 열흐름과 이에 따른 온도 분포, 변화를 해석으로 확인할 수 있습니다.
<열전달해석의 예>
☑️전도(Conduction)
물체의 온도가 높아진다는 것은 물체 내부로 열이 들어와서 물체를 구성하는 분자의 운동이 활발해진 상태를 의미합니다. 물체의 한쪽을 가열하게 되면 열에너지로 인해 분자가 운동하게 되고 분자들이 충돌하여 진동하게 됩니다. 이러한 연쇄반응은 온도차가 발생하지 않을때까지 일어나게 됩니다. 이와 같이 정지된 유체나 고체 상태의 물질에서 이웃한 분자의 운동으로 열이 전달되는 현상을 전도라고 합니다. 열전도율(thermal conductivity)이란 열에너지를 전도하는 능력을 나타내는 재료의 물성 값입니다.
☑️대류(Convection)
액체 또는 기체에서 고온부분과 저온부분이 서로 이동하면서 이루어지는 열전달 현상을 대류라고 합니다. 펌프와 같은 것으로 유체를 물체 표면 위에 강제로 흐르게 하여 인위적으로대류를 발생시키는 것을 강제대류(forced convection)라 하고, 유체 내의 온도차에 따라 발생한 밀도 변화로 부력이 생겨서 발생하는 대류를 자연대류(free convection)이라고 합니다. 대류에 의한 열전달율은 일반적으로 온도차에 비례합니다.
외기온도에는 구조물이 놓여져 있는 대기의 온도를 입력하며 대류계수는 대기의 대류계수값을 입력하면 됩니다. 일반적으로 자연대류인 경우에는 1X10-5~2X10-5 (W/mm^2 • [T])를 입력해서 사용하면 됩니다.
(1) 자연대류 (2) 강제 대류
☑️복사(Radiation)
복사(radiation)는 물질을 구성하는 원자들이 열에 의해 들떠서 전자기파를 방출하는 현상입니다. 전자기파는 전하를 가진 입자들의 가속 운동으로 생깁니다. 물질을 구성하는 원자 안에는 전하를 가진 입자(양성자와 전자)들이 있는데 이들이 열에너지를 받아 운동함으로써 전자기파가 방출됩니다. 열복사는 전자기파로 전해지므로 별도의 매질이 필요하지 않고 빛의 속도로 전달됩니다.
고온 물체에서는 온도에 따라 보이지 않는 빛과 비슷한 성질의 열선이 있는데 이 열선을 방사한 물체는 온도가 내려가고, 흡수한 물체는 온도가 상승하게 됩니다. 또한 복사 에너지는 광속으로 전달되며, 진공을 통과할 때 에너지가 감소되지 않습니다. 이러한 현상으로 인해 태양 에너지가 거의 진공상태인 우주 공간을 거쳐 지구에 도달하게 됩니다. 복사된 에너지가 물체에 도달하게 되면 그림과 같이 일부는 표면에서 반사되고, 일부는 흡수, 나머지는 투과됩니다. 반사율(reflectivity)을 γ , 흡수율(absorptivity)을 α, 투과율 (transmissivity)을 ø라 하면 다음과 같은 식이 성립됩니다.
대부분의 고체는 열복사를 투과하지 않는 것으로 가정하면 ø=0 입니다. 입사에너지를 모두 흡수하는 물체 (γ= 0, α = 1)를 완전 흑체, 입사에너지를 모두 반사하는 물체 (γ= 1, α = 0)를 완전 백체라고 합니다. 일반적인 물체는 회색체라 하는데 입사 에너지의 일부를 흡수하고, 일부는 반사시킵니다.
방사율은 한 물체가 외부 광 에너지를 흡수한 후 일부 재 방사하거나 혹은 표면 반사 현상이 일어날 때 재 복사하는 에너지 비율을 말하며, 이론적으로 외부 에너지를 흡수한 후 100% 복사하고 표면 반사하지 않는 물체를 흑체(Blackbody)라 하며, 이때의 방사율(ε)값은 ‘1’로 규정합니다.
그러나 일반적인 물체들은 표면 상태(광택, 거칠기, 산화 등)에 따라서 흡수, 반사, 방사하는 에너지량이 변화하며, 흡수하고 반사하는 에너지 비율이 흑체를 기준으로 할 때 실제로 ‘1’보다 작은 값을 갖게 되고 그 범위는 0≤ε≤1 입니다. 흡수율은 표면에 도달한 복사열이 얼마나 흡수 되었는지를 나타내는 지표이며 방사율과 동일하게 그 범위는 0≤α≤1입니다. 대부분의 실제 모델에서는 방사율과 흡수열은 같은 것으로 취급하므로 같은 값을 입력하면 됩니다
☑️접촉/연결
열전달해석을 할 때 부품들간의 연결을 하고자 할 때에는 부품들간의 절점들을 공유하여 요소망을 작성하거나 부품들간의 연결을 일체거동 접촉을 사용하면 부품들간의 연결된 상태에서 열전달해석을 수행 할 수 있습니다. 그림(a)은 두 개의 부품들의 연결을 위해 절점을 공유 시킨 상태이고, 그림(b)는 두 부품의 절점이 공유되지 않아 열전달해석을 수행할 수 없으므로, 열전달이 될 수 있도록 두 부품의 연결 조건을 일체거동 접촉으로 처리하여 열전달해석을 수행합니다.
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