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▶ 68호 : Ansys Fluent를 이용한 Fuse의 전기-열-용융 모델링 및 해석

정우영 매니저
태성에스엔이
wyjung@tsne.co.kr

Ansys Fluent를 이용한 Fuse의 전기-열-용융 모델링 및 해석

Ansys Fluent에서 전기화학 및 용융 모델을 활용한 Fuse 모델링 및 해석 방법을 소개한다.

1. Introduction

Fuse Wire 과전류 시험은 전기장치의 안전을 위해 시행되고 있다. 상온에서 고체로 존재하는 Fuse는 전류를 흘려주게 되면 전기적 특성으로 열이 발생하고 온도가 올라가고 전류를 계속 흘려주면 Fuse의 녹는점 이상의 온도에서 용융 현상이 발생해 Fuse Wire 연결이 끊어진다.

시뮬레이션을 통한 Fuse Wire 과전류 해석은 전기, 열, 용융 해석으로 3 가지 개념이 적용된다. Ansys Fluent는 Fuse Wire 해석에서 발생할 수 있는 3 가지 개념에 대한 모델링이 가능하다. 본 원고에서는 Ansys Fluent를 이용한 Fuse의 전기-열-용융 현상 예측을 위한 모델링 방법과 그 외 해석적 접근 방법에 대해 간략히 소개하고자 한다.

2. Ansys Fluent Fuse 모델링 및 해석

해석을 위해 [그림 1]과 같이 전류를 흘려주기 위한 음극과 양극을 포함하여 두 개의 주요 Boundary와 3 개의 Cell Zone으로 구성하였다.

[그림 1] Fuse 모델링을 위한 형상 정보

[그림 1]의 Potential Face가 양극, Grounded Face가 음극으로 해석이 진행되며 전류 및 전압은 Boundary Conditions로 설정한다.

Cell Zone은 양쪽으로 Thermal Conductivity가 높은 Copper, 중앙에 시험 물질인 Fuse로 구성되어 있다. 각 Cell Zone 별 적용되는 Material의 경우 추후 Cell Zone Conditions 설정에서 진행하도록 한다.

준비된 형상으로 Solver 설정 방법과 각종 해석적 접근 방법에 대해 단계별로 진행한다.

Step 1: Model 설정

Fuse 모델링에서 가장 중요한 요소는 Electric Potential 및 Melting Model의 설정이다.

Ansys Fluent에서 Electric Potential 설정을 통해 해석 후 전압, 전류, 온도 변화를 확인할 수 있다. Melting Model을 사용하여 해석을 진행하면 용융 현상으로 인한 Liquid Fraction 변화를 해석 결과로 확인할 수 있다.

Fuse Wire 과전류 해석을 위한 Model 설정은 아래와 같다.

열 해석을 진행하기 때문에 Energy Equation을 활성화하여 온도와 관련된 모든 설정을 활성화한다.

Fuse 해석은 전도에 대한 해석으로 Viscosity의 영향은 없지만 Fuse Material을 유체로 정의하기 때문에 Viscous Model로 Laminar Model을 사용한다.

Fuse가 용융되는 현상을 해석하기 위해 Solidification & Melting Model을 활성화한다.

전류의 흐름을 해석하기 위해 Potential/Electrochemistry의 Potential Equation을 활성화한다. 또한 전류의 의해 발생하는 열 또한 해석이 필요하기 때문에 Joule Heating 옵션도 활성화한다.

위의 순서대로 진행하기 위해 [그림 2]를 참고하여 Model 설정을 진행한다.

[그림 2] Fuse 모델링을 위한 Model 설정

Step 2: Material Properties 설정

Fuse와 Solid Wire는 [표 1]을 참고하여 Material Properties 설정 작업을 진행한다.

[표 1] Wire 및 Fuse의 Material Properties

Fuse Material의 경우 Cp(Specific Heat) 값을 온도에 대한 값으로 설정해야 하기 때문에 [그림 3]과 같이 Piecewise-Linear Profile 설정 창에서 4 개의 Data Point를 입력하고 Temperature-Cp 그래프를 통해 설정된 값을 확인한다.

[그림 3] Cp값의 Piecewise-Linear 설정

Step 3: Cell Zone / Boundary Conditions 설정

Cell Zone에 Step 1에서 생성한 Fuse 및 Copper 물질을 각각 입력한다. Fuse에 해당되는 중앙 유체영역, Copper에 해당되는 양쪽 고체영역에 해당된다. Fuse의 경우 유체 영역에 물질이 입력되기에 초기 고체상태 가정을 위해 해당 Cell Zone에서 Fixed Value의 Momentum 값을 0으로 입력한다. [그림 4]를 참조하여 Cell Zone Condition 설정을 진행한다.

[그림 4] Cell Zone Condition의 Material 정의

Boundary Conditions 설정은 양쪽 Solid 영역에 해당되는 말단 Face에 Named Selection으로 지정된 부분이 있다. 각 Boundary에 Potential 조건을 입력하는 방식이며, 유동해석과 유사하게 Inlet 및 Outlet처럼 Potential 조건도 양극에 해당되는 부분에 Current Density, 음극에 해당되는 부분에 Potential = 0[V] 값을 입력해주면 된다. [그림 5]를 참고하여 Boundary Conditions를 입력한다.

[그림 5] Boundary Conditions 내 Potential 설정

Step 4: Numeric Method 및 초기값 설정

수치해석 설정은 Pressure-Velocity Coupling Scheme에 적용되는 기본값인 PISO로 진행하며 다른 값들은 기본값으로 진행한다.

초기값 설정의 경우 기본값인 Temperature = 300[K], Potential = 0 수치를 확인 후 진행한다.

Step 5: Report Definition 설정

초기화 작업까지 모두 마친 상태에서 해석 도중 출력이 필요한 변수 결과를 그래프 형식으로 추출하기 위해 Report Definition 설정을 진행한다. 확인이 필요한 주요 변수로는 Melting 해석으로부터 발생하는 Liquid Fraction, Potential 해석으로부터 발생하는 Joule Heat Source가 있다. Liquid Fraction의 경우 Mass Integral 및 Volume Average 함수로 Volume Report를 생성한다. Joule Heating Source는 Volume Integral 함수로 Volume Report를 생성한다. Volume Report 생성은 [그림 6]의 생성 방법을 참고하여 진행한다.

[그림 6] Report Definition 설정

Step 6: 결과 확인

해석이 완료되면 Report Definition과 Contours를 통해 결과를 확인한다. Melting으로 인한 Solid Wire 결과 확인은 Iso-Surface 기능을 이용한다. Contours 및 Iso-Surface의 경우 [그림 7]과 같이 Potential, Temperature, Liquid Fraction 변수를 사용하여 결과를 확인한다.

[그림 7] Contours 및 Iso-Surface 결과 : Potential, Temperature, Liquid Fraction(Solid Wire)

결과를 통해 전류 흐름(고전압 -> 저전압) -> Joule Heating에 따른 온도 증가 -> Solid Wire의 Melting으로 인한 Liquid Fraction 증가(Solid Mass 감소) 로 이어지는 현상 및 각 변수 별 수치를 확인 후 해석을 마치도록 한다.

3. 맺음말

본 호에서는 Ansys Fluent를 사용하여 Fuse의 전기-열-용융 모델링 및 해석을 진행하였다. 모델링 및 해석 진행 중 주요 내용은 물성의 정의, 모델에 대한 이해, 결과 분석이다. 형상 정보나 경계 조건은 사용자의 목표에 의해 변경될 수 있으나 주요 내용을 파악하여 진행한다면 큰 어려움 없이 해석이 진행될 것으로 기대된다.