지난 수십 년 간 가스터빈은 항공수송분야의 주요 동력원으로써 널리 사용되어 왔다. 최근 전세계적으로 지구 온난화와 관련하여 온실가스 배출 규제가 더욱 강화되고 있으며, 이에 따라 항공산업 분야에서도 CO2 및 NOX 배출 감소를 위한 고효율 항공기 엔진 개발 기술이 절실히 요구되고 있다. 이러한 기술적 요구에 따라 최근에는 열교환기 기술을 적용한 중간냉각 (intercooling) 및 재열 (recuperation)과 같은 다양한 열역학적 사이클을 통한 항공기 엔진 성능향상을 위한 노력이 시도되고 있으며, 따라서 우수한 열공력 성능을 가지는 콤팩트 열교환기의 개발이 필수적이다. 본 연구의 궁극적인 목표는 항공기용 ...
지난 수십 년 간 가스터빈은 항공수송분야의 주요 동력원으로써 널리 사용되어 왔다. 최근 전세계적으로 지구 온난화와 관련하여 온실가스 배출 규제가 더욱 강화되고 있으며, 이에 따라 항공산업 분야에서도 CO2 및 NOX 배출 감소를 위한 고효율 항공기 엔진 개발 기술이 절실히 요구되고 있다. 이러한 기술적 요구에 따라 최근에는 열교환기 기술을 적용한 중간냉각 (intercooling) 및 재열 (recuperation)과 같은 다양한 열역학적 사이클을 통한 항공기 엔진 성능향상을 위한 노력이 시도되고 있으며, 따라서 우수한 열공력 성능을 가지는 콤팩트 열교환기의 개발이 필수적이다. 본 연구의 궁극적인 목표는 항공기용 인터쿨러 열교환기의 열효율 향상 및 초경량 설계를 위해 교차주름 판형 열교환기에 적용되는 1차측 전열판 형상을 개발하는 것이다.
싸인파형 전열판 형상에 대하여 수치적 방법을 통해 설계 최적화 연구가 수행되었으며, 본 연구에서 사용된 수치해석기법은 선행 연구 결과와 더불어 압력강하 측정실험을 통해 검증하였다. 설계 최적화는 volume goodness factor와 area goodness factor를 동시에 고려한 다중목적함수를 통해 수행되었으며, 본 연구에서는 volume goodness factor와 area goodness factor가 가스터빈의 싸이클 효율에 미치는 영향이 동일하다는 조건에서 최적화가 이루어졌다. 설계 최적화 결과로써, P/H=3.32, θ=30°에서 최적 설계변수가 도출되었다.
본 연구에서 제안된 세가지 타입의 새로운 전열판 형상들(anti-phase secondary corrugation surface, in-phase secondary corrugation surface, full-wave rectified secondary corrugation surface)에 대하여 열공력 성능개선 가능성에 대한 타당성 연구가 수행되었으며, 도출된 성능 데이터는 싸인파형 전열판 형상의 성능과 정량적으로 비교하였다. 세가지 타입의 전열판 형상 중에서 anti-phase secondary corrugation 전열판 형상이 열공력학적 측면에서 우수한 성능을 보여주었다. anti-phase secondary corrugation 전열판 형상(P/H=4.4, θ=30°, ah=0.4)의 경우, 싸인파형 전열판 형상(P/H=2.2, θ=90°)에 비해 압력강하는 약 -15% 감소하는 반면, 열전달 성능은 거의 유사하게 나타났다. 냉각유로 내에서 압력강하 특성은 국소 엔트로피 생성률을 평가함으로써 정량적으로 규명할 수 있다. Anti-phase secondary corrugation 전열판 형상을 가진 냉각유로에서는 마주보는 주름을 따라 흐르는 교차유동에 의해 야기되는 유동 혼합층에서 다른 전열판들에 비해 엔트로피 생성률이 상당히 낮은 값을 가지며, 이는 유로 내에서 에너지 소산이 보다 적게 발생되는 것을 의미한다.
이러한 타당성 연구결과로부터 도출된 anti-phase secondary corrugation 전열판 형상에 대하여 상세한 설계 최적화 연구가 수행되었다. 다양한 설계변수에 대하여 3차원 수치해석을 수행하였으며, 최적화 연구결과로써, P/H=4.4, θ=30°, ah=0.4에서 최적 설계변수가 도출되었다. 최적화된 anti-phase secondary corrugation 전열판 형상은 최적화된 싸인파형 전열판 형상에 비해 volume goodness factor는 약 +9.1% 향상되었으며, area goodness factor는 약 -1.7% 감소하는 결과를 얻었다.
주름진 판형 열교환기에서는 본질적으로 전열판을 통한 종방향 전도 열전달(longitudinal heatconduction)이 야기되며, 이는 열교환기의 열 성능을 저감시킨다. 따라서 이러한 종방향 전도열전달 효과를 수치 해석기법 및 이론적 모델을 통해 그 성능을 정량적으로 예측하였다. 본 연구에서 고려한 설계범위 내에서 전도 열전달로 인한 열교환기의 열성능 감소는 약 6%이하로 예측되었다. 또한 본 복합 열전달 문제에 적합한 이론모델을 정립하여 보다 넓은 범위의 설계변수들에 대하여 효율적으로 전도 열전달 효과를 예측하였다.
설계 최적화를 통해 도출된 다양한 설계변수에 따른 열공력 성능 데이터는 열교환기 모듈의 크기 및 무게 최적화를 위한 연구의 기초자료로써 사용되었다. 본 연구에서는 교차주름 판형 열교환기에 적합한 열유동 회로 (flow and thermal network)를 구현하고, Effectiveness-NTU 방법을 사용하여 열교환기 모듈의 압력강하 및 열전달량을 계산하였으며, 이를 통해 열교환기 모듈의 최적의 크기 및 무게를 산정하였다. 최적화 결과로써, 최적형상의 anti-phase secondary corrugation 전열판 열교환기의 단일 모듈 무게는 1.7kg으로써 기준모델인 싸인파형 전열판 열교환기 모듈(P/H=2.2, θ=90°)에 비해 -44.3%의 무게감소 효과를 얻었다.
지난 수십 년 간 가스터빈은 항공수송분야의 주요 동력원으로써 널리 사용되어 왔다. 최근 전세계적으로 지구 온난화와 관련하여 온실가스 배출 규제가 더욱 강화되고 있으며, 이에 따라 항공산업 분야에서도 CO2 및 NOX 배출 감소를 위한 고효율 항공기 엔진 개발 기술이 절실히 요구되고 있다. 이러한 기술적 요구에 따라 최근에는 열교환기 기술을 적용한 중간냉각 (intercooling) 및 재열 (recuperation)과 같은 다양한 열역학적 사이클을 통한 항공기 엔진 성능향상을 위한 노력이 시도되고 있으며, 따라서 우수한 열공력 성능을 가지는 콤팩트 열교환기의 개발이 필수적이다. 본 연구의 궁극적인 목표는 항공기용 인터쿨러 열교환기의 열효율 향상 및 초경량 설계를 위해 교차주름 판형 열교환기에 적용되는 1차측 전열판 형상을 개발하는 것이다.
싸인파형 전열판 형상에 대하여 수치적 방법을 통해 설계 최적화 연구가 수행되었으며, 본 연구에서 사용된 수치해석기법은 선행 연구 결과와 더불어 압력강하 측정실험을 통해 검증하였다. 설계 최적화는 volume goodness factor와 area goodness factor를 동시에 고려한 다중목적함수를 통해 수행되었으며, 본 연구에서는 volume goodness factor와 area goodness factor가 가스터빈의 싸이클 효율에 미치는 영향이 동일하다는 조건에서 최적화가 이루어졌다. 설계 최적화 결과로써, P/H=3.32, θ=30°에서 최적 설계변수가 도출되었다.
본 연구에서 제안된 세가지 타입의 새로운 전열판 형상들(anti-phase secondary corrugation surface, in-phase secondary corrugation surface, full-wave rectified secondary corrugation surface)에 대하여 열공력 성능개선 가능성에 대한 타당성 연구가 수행되었으며, 도출된 성능 데이터는 싸인파형 전열판 형상의 성능과 정량적으로 비교하였다. 세가지 타입의 전열판 형상 중에서 anti-phase secondary corrugation 전열판 형상이 열공력학적 측면에서 우수한 성능을 보여주었다. anti-phase secondary corrugation 전열판 형상(P/H=4.4, θ=30°, ah=0.4)의 경우, 싸인파형 전열판 형상(P/H=2.2, θ=90°)에 비해 압력강하는 약 -15% 감소하는 반면, 열전달 성능은 거의 유사하게 나타났다. 냉각유로 내에서 압력강하 특성은 국소 엔트로피 생성률을 평가함으로써 정량적으로 규명할 수 있다. Anti-phase secondary corrugation 전열판 형상을 가진 냉각유로에서는 마주보는 주름을 따라 흐르는 교차유동에 의해 야기되는 유동 혼합층에서 다른 전열판들에 비해 엔트로피 생성률이 상당히 낮은 값을 가지며, 이는 유로 내에서 에너지 소산이 보다 적게 발생되는 것을 의미한다.
이러한 타당성 연구결과로부터 도출된 anti-phase secondary corrugation 전열판 형상에 대하여 상세한 설계 최적화 연구가 수행되었다. 다양한 설계변수에 대하여 3차원 수치해석을 수행하였으며, 최적화 연구결과로써, P/H=4.4, θ=30°, ah=0.4에서 최적 설계변수가 도출되었다. 최적화된 anti-phase secondary corrugation 전열판 형상은 최적화된 싸인파형 전열판 형상에 비해 volume goodness factor는 약 +9.1% 향상되었으며, area goodness factor는 약 -1.7% 감소하는 결과를 얻었다.
주름진 판형 열교환기에서는 본질적으로 전열판을 통한 종방향 전도 열전달(longitudinal heat conduction)이 야기되며, 이는 열교환기의 열 성능을 저감시킨다. 따라서 이러한 종방향 전도열전달 효과를 수치 해석기법 및 이론적 모델을 통해 그 성능을 정량적으로 예측하였다. 본 연구에서 고려한 설계범위 내에서 전도 열전달로 인한 열교환기의 열성능 감소는 약 6%이하로 예측되었다. 또한 본 복합 열전달 문제에 적합한 이론모델을 정립하여 보다 넓은 범위의 설계변수들에 대하여 효율적으로 전도 열전달 효과를 예측하였다.
설계 최적화를 통해 도출된 다양한 설계변수에 따른 열공력 성능 데이터는 열교환기 모듈의 크기 및 무게 최적화를 위한 연구의 기초자료로써 사용되었다. 본 연구에서는 교차주름 판형 열교환기에 적합한 열유동 회로 (flow and thermal network)를 구현하고, Effectiveness-NTU 방법을 사용하여 열교환기 모듈의 압력강하 및 열전달량을 계산하였으며, 이를 통해 열교환기 모듈의 최적의 크기 및 무게를 산정하였다. 최적화 결과로써, 최적형상의 anti-phase secondary corrugation 전열판 열교환기의 단일 모듈 무게는 1.7kg으로써 기준모델인 싸인파형 전열판 열교환기 모듈(P/H=2.2, θ=90°)에 비해 -44.3%의 무게감소 효과를 얻었다.
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