적층가공된 고효율 경사면의 설계 및 평가

Sep 08, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 19477(2022) 이 기사 인용

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우리는 적층 제조(DfAM)를 위한 설계를 기반으로 새로운 밀리 스케일 믹서(경사 날개 혼합 장치, TWM 장치)를 개발합니다. 제안된 기울어진 날개 믹서는 기본적으로 효과적으로 혼합하기 위해 유체를 분할하고 결합하는 3개의 별도 날개를 갖도록 설계되었습니다. 구조가 간단하여 제작이 용이합니다. 3개의 날개 사이의 각도와 기울어진 장치 사이의 연결 각도라는 두 가지 주요 설계 매개변수가 전산유체역학(CFD) 분석을 사용하여 최적화되었습니다. CFD 분석을 통해 매우 효과적인 혼합비를 위해 TWM 장치의 다양한 조합을 분석하여 가장 잘 결합된 혼합 모듈을 얻습니다. 3개의 결합된 유닛의 혼합 비율은 거의 100%에 도달하며 이는 실험과 분석을 통해 검증되었습니다. 우리는 제안된 밀리 스케일 믹서가 환경을 오염시킬 수 있는 화학 물질의 사용을 최소화하기 위해 다양한 화학적 연속 믹서 및 반응기에 활용될 수 있다고 믿습니다.

혼합 유체는 화학공학1,2, 식품공학3, 전자공학, 광업4 등에서 중요한 공정입니다. 지금까지 다양한 혼합기 디자인으로 혼합비의 효율성을 향상시키기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다3,4. 다양한 산업분야의 고도화와 환경문제가 대두됨에 따라 화학물질의 혼합공정은 고성능, 저공해 및 안전성이 요구되고 있습니다2,3,4,5,6,7. 예를 들어 PPO(폴리페닐렌옥사이드)는 전기적 성능이 좋고, 유전 손실이 낮으며, 넓은 주파수 범위에서 유전 성능 변화가 작은 5세대(5G) 통신 안테나의 핵심 소재 중 하나다. 그러나 PPO를 생산단가가 낮아 화학공장에서 일반적으로 채택하고 있는 회분식 혼합기를 사용하여 혼합할 경우 폭발의 위험성이 있고, 높은 수율의 혼합물을 얻기 어렵다8. 회분식 혼합기의 한계를 해결하기 위해 회분식 혼합기의 특성에 비해 높은 혼합 성능, 안전성, 제어 용이성, 확장성, 낮은 오염물질 발생 등으로 인해 연속식 혼합기에 대한 많은 연구가 보고되고 있다9,10 .

연속식 믹서에는 레이놀즈 수(Re), 유체 유형, 유체 흐름량과 같은 몇 가지 공정 조건이 있습니다. 혼합 조건에 따라 다양한 연속 혼합기가 제안되었습니다. 카오틱 믹서11, TPMS(Triple Periodic Minimal Surface) 믹서12, HVW(수평 및 수직 위빙) 믹서13, Kenics14. 특히 LSM(Lattice Structure Based Mixer)은 길이에 비해 혼합 효율이 높아 많은 주목을 받고 있다. 이는 일반적으로 복잡한 교차 막대 또는 막대(보통 10개 이상)로 구성되며, 유체는 격자 구조를 통과하면서 함께 혼합됩니다. 따라서 LSM의 설계 형태와 구조는 혼합 성능에 영향을 미칩니다. LSM의 개념 설계는 1960년대 Sulzer에 의해 처음 제안되었으며, 믹서 내부의 여러 막대가 Baker의 분할 및 재결합을 수행하여 유체 혼합을 수행합니다15. LSM은 혼합비를 조절하기 위해 막대의 수와 크기를 변경하여 수십에서 수천의 유체 흐름 범위를 갖도록 설계할 수 있습니다.

LSM은 최초 개발 이후 혼합비를 높이고 적용 범위를 넓히는 것이 많은 연구자들의 주요 관심사였다. Arimondet al. Kenics-type 믹서를 사용하여 패시브 믹서 분야에서 혼합 분석을 수행했으며 Fradette et al. 격자 기반 믹서에 대한 흐름 분석을 수행했습니다. Pianko-Oprychet al. Li et al.은 2상 유동에 대한 혼합 해석을 수행하고 전산유체역학(CFD)을 이용한 혼합기 구조의 효과를 보여주었습니다. LSM19,20의 응용 범위를 넓히기 위해 비뉴턴 액체의 유동 해석을 연구했습니다. Raulineet al. CFD 분석21을 사용하여 여러 믹서의 성능을 비교했으며 Zalc et al. 속도 분포를 통해 LSM에서 혼합하는 원리를 설명했습니다. Heniche et al.23과 Liu et al.24은 단위구조의 형태에 따른 LSM의 혼합비율을 연구하였다. Ghanemet al. 선행연구를 정리하고 LSM25의 형상특성, 혼합원리, 응용분야를 정리하였다. Hirschberget al. LSM26의 압력 형성을 줄이기 위해 모양 변경을 수행했으며 Shahbazi et al. 유전자 알고리즘을 사용하여 LSM의 모양을 최적화하려고 시도했습니다.