To analyze the flow and noise characteristics of a positive displacement hydrogen compressor, a computational fluid dynamics (CFD) simulation based on the Lattice-Boltzmann Method (LBM) was performed. For detailed analysis the discharge flow of the compressor was divided into three regions: the area around the valve, the discharge jacket, and the outlet pipe. Hydrogen passing through the valve formed turbulent jets, which induced high-frequency noise. Inside the discharge jacket, changes in the cross-sectional area caused continuous variations in the average velocity and turbulence characteristics. In the outlet pipe with an elbow, high flow velocity corresponding to the relatively narrow cross-section was observed. Additionally, flow separation occurring on the inner corner of the elbow enhanced turbulence, contributing to the amplification of high-frequency noise. This study provides a physical understanding of the flow and noise issues in positive displacement hydrogen compressors and presents a fundamental analysis to support the design of efficient and low-noise compressors.
수소 연료전지 자동차는 고압 수소 저장 시스템과 스택 탑재 등으로 인해 차체 중량이 증가하여 섀시 및 현가장치에 작용하는 동적 하중 부담이 크다. 이에 따라 오리피스를 통과하는 작동유의 유동 저항을 정밀하게 제어하는 댐퍼 감쇠력 특성의 최적 설계가 핵심 과제로 대두되고 있다. 본 연구에서는 실제 댐퍼 제조 현장의 기술 수요를 반영하여, 선택식 오리피스 구조를 대상으로 홀 형상 및 유량 변화에 대한 매개변수 연구를 효율적으로 수행하기 위한 3차원 격자 자동 생성 절차와 Agentic AI 기반의 자동화 해석 파이프라인을 구축하였다. 형상 모델링과 격자 생성, 격자 품질 검증은 물론 해석 케이스 설정, 솔버 구동 및 후처리 전 과정을 Agentic AI가 자율적으로 연계 수행하도록 설계하였다. 유동 해석은 OpenFOAM을 이용해 3차원 정상 층류 조건에서 진행되었으며, 해석 조건으로는 홀 직경 3종과 유량 5종의 조합 조건 및 테이퍼(taper) 홀의 정·역방향 유동 조건을 적용하여 압력강하와 국부 저압 특성을 분석하였다. 해석 결과, 압력강하는 유량이 증가함에 따라 비선형적으로 증가하였고 홀 직경이 작을수록 급격히 상승하였다. 특히 테이퍼 홀의 경우 고유량 영역에서 유동 방향에 따른 총 압력강하의 차이는 미미하였으나, 국부 최소 압력 분포에서는 뚜렷한 차이를 보여 향후 캐비테이션 억제 설계를 위해 압력강하와 국부 저압을 독립적으로 평가해야 함을 규명하였다. 본 연구에서 확립한 자동화 프레임워크는 다양한 오리피스 형상의 유동 특성을 신속하게 도출하는 데 유용하며, 향후 캐비테이션 다상 유동 해석 및 댐퍼 밸브계 힘 평형 모델과 연계한 감쇠력 정밀 예측으로 확장할 예정이다.
공기용으로 설계된 원심압축기에 암모니아를 작동유체로 적용하면 기체상수와 비열비, 점성의 차이로 인해 압축 성능과 내부 유동이 달라질 수 있다. 본 연구에서는 형상과 실험 자료가 공개된 NASA CC3 원심압축기를 대상으로, 형상을 바꾸지 않고 작동유체를 공기에서 암모니아로 바꿀 때의 공력 성능과 내부 유동 특성 변화를 수치해석으로 평가하고자 한다. 해석은 Ansys CFX를 이용한 3차원 정상 압축성 RANS 해석으로 수행하며, 난류모델은 SST k-ω 모델을 사용한다. 암모니아의 회전수는 공기와 주속 마하수가 같아지도록 정하고, 두 작동유체의 운전점은 유량계수를 기준으로 대응시킨다. 해석의 신뢰성은 공기 조건의 성능곡선을 기존 실험 자료와 비교하여 확인한다. 두 작동유체에 대해 압력비와 효율, 일계수를 비교하고, 블레이드 사이 유동장에서 충격파와 박리, 팁 누설 구조의 차이를 분석한다. 이를 통해 공기용 압축기를 암모니아 압축에 활용할 때 필요한 상사 조건과 그 한계를 검토한다. 본 연구의 결과는 암모니아용 원심압축기의 형상 개선 방향을 설정하는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
액체수소 극저온 밸브 열응력 해석 시 관행적으로 적용되는 원관 상관식 기반 상수 대류열전달계수는 '크기 오차'와 '공간 분포 무시 오차'를 동시에 내포한다. 본 연구는 6 인치 글로브 밸브를 대상으로 3 차원 RANS 유동해석과 열-구조 연성해석을 수행하고, CFD 국부 분포·그와 면적가중 평균이 같은 균일 조건·상관식 균일 조건의 세 가지를 동일한 고체 격자에서 비교하여 두 오차 기여를 분리·정량화하였다. 해석 결과 등가응력 400 MPa 초과 체적비는 계수의 크기 오차만으로 22.3 %가 줄어든 반면, 공간 분포 오차는 반대 방향으로 7.5 %에 그쳐 크기 오차가 지배적이었다. 반면 외부 자연대류 경계조건에서는 외부 열저항이 병목이 되어 두 오차 모두 0.2 % 이내로 소멸하였다. 따라서 밸브 열응력 해석 시 공간 분포 재현보다는 형상에 부합하는 대표 열전달계수 크기 산출이 우선되며, 이는 젖은면 결합이 병목인 조건에서 유효하다.
