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문제 정의
- 본 연구는 2차원 터빈 익렬에서 맥동을 가지는 비정상 후류가 유동 및 대류 열전달에 미치는 영향을 실험적으로 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 색상과 온도의 상관관계는 열전대를 이용한 보정 실험을 통하여 구하였다. 또한 측정 표면에 미세한 금 입자가 도포된 폴리에스터 필름(gold film Intrex)을 부착하여 전기적으로 일정한 열 유속을 공급하여 등 열 유속 (constant heat flux) 경계조건을 설정하였다. 국소 대류 열전 달 계수는 공급된 열량과(#) 액정을 통하여 획득된 표면 온도( 와 자유 흐름의 온도( D를 통하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 익렬의 도입부에 4개의 사각 판 을 설치하고, 이를 벨트-풀리 장치로 회전 시켜 맥 동 성분을 가지는 비정상 후류를 발생시켰다. 사각 판은 두께 5 mm, 폭 50 mm, 길이는 300 mm의 아크릴로 제작되었으며.
- 본 연구에서는 익렬의 도입부에 사각 판을 설치하여 이를 회전 시켜 비정상 후류를 생성시키고, 유로의 폐쇄비를 변화시킴으로써 자유 흐름의 맥 동을 발생시켰다. 이를 통한 블레이드 표면에서의 경계층과 대류 열전달 계수를 측정하였다.
- 각 사각판은 익렬의 앞 전으로부터 100 mm 전방에 위치한다. 사각 판의 회전수는 전원주파수 조절 장치를 통하여 조절하였으며. 스트로보스코우프를 사용하여 회전수를 측정하였다.
- 흡입 면과 압력 면에서 대류 열전달 계수를 구하기 위하여 온도에 민감한 액정 (thermochromic liquid crystal)을 사용하여 블레이드 표면의 온도를 측정하였다. 색상과 온도의 상관관계는 열전대를 이용한 보정 실험을 통하여 구하였다. 또한 측정 표면에 미세한 금 입자가 도포된 폴리에스터 필름(gold film Intrex)을 부착하여 전기적으로 일정한 열 유속을 공급하여 등 열 유속 (constant heat flux) 경계조건을 설정하였다.
- 사각 판의 회전수는 전원주파수 조절 장치를 통하여 조절하였으며. 스트로보스코우프를 사용하여 회전수를 측정하였다. 실험 경우는 사각 판의 회전수에 따라 결정하였으며, 사각 판의 회전주파수를 f로 하였을 때 이를 Strouhal 수로 무차원화 하여 표시하였다.
- 스트로보스코우프를 사용하여 회전수를 측정하였다. 실험 경우는 사각 판의 회전수에 따라 결정하였으며, 사각 판의 회전주파수를 f로 하였을 때 이를 Strouhal 수로 무차원화 하여 표시하였다. Table 2에서 각 실험 경우의 회전수와 Strouhal 수를 나타내었다.
- 열선을 통한 속도 신호는 조건부 자료추출(conditional sampling)을 통하여 시간 평균 속도와 사각 판의 회전주기에 해당하는 주기적인 저주파 성분, 난류 섭동 성분으로 분리하여 분석하였다.
- 유 동장의 측정을 위하여 정온 열선 유속계 (IFA300, TSI)를 사용하였으며, 후류 발생기에 유입되는 자유 흐름의 유속은 피토관을 사용하여 측정하였다. 흡입 면의 경계층 속도 분포를 I형 열선 (TSI, 1210-T1.
- 본 연구에서는 익렬의 도입부에 사각 판을 설치하여 이를 회전 시켜 비정상 후류를 생성시키고, 유로의 폐쇄비를 변화시킴으로써 자유 흐름의 맥 동을 발생시켰다. 이를 통한 블레이드 표면에서의 경계층과 대류 열전달 계수를 측정하였다.
- 조건부 자료추출을 위한 기준 신호는 사각 판 의 회전으로 발생하는 주기적인 속도변화로 하였으며, 이를 측정하기 위하여 사각 판의 회전 중심에서 50 mm 떨어진 위치(A, Fig. 2)에 X형 열선 (TS1, 1240-T1.S)을 설치하여 속도 신호를 획득하였다. Fig.
- 흡입 면과 압력 면에서 대류 열전달 계수를 구하기 위하여 온도에 민감한 액정 (thermochromic liquid crystal)을 사용하여 블레이드 표면의 온도를 측정하였다. 색상과 온도의 상관관계는 열전대를 이용한 보정 실험을 통하여 구하였다.
- 유 동장의 측정을 위하여 정온 열선 유속계 (IFA300, TSI)를 사용하였으며, 후류 발생기에 유입되는 자유 흐름의 유속은 피토관을 사용하여 측정하였다. 흡입 면의 경계층 속도 분포를 I형 열선 (TSI, 1210-T1.5)를 사용하여 측정하였다. 열선으로부터의 신호는 A/D 변환기를 거쳐 컴퓨터에 저장하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 익렬의 도입부에 4개의 사각 판 을 설치하고, 이를 벨트-풀리 장치로 회전 시켜 맥 동 성분을 가지는 비정상 후류를 발생시켰다. 사각 판은 두께 5 mm, 폭 50 mm, 길이는 300 mm의 아크릴로 제작되었으며. 각 사각판은 익렬의 앞 전으로부터 100 mm 전방에 위치한다.
- 6%이다. 시험 부는 0.3 m X 0.3 m의 크기를 가지며, 벽면은 투명아크릴로 제 작하였다. 익렬은 4개의 블레 이 드로 구성되며, 현의 길이와 자유 흐름의 속도에 근거한 Reynolds 수는 66, 000°] 4.
- . 실험에 사용된 블레이드는 저압용 터빈의 동익에서 중앙단 면 (midspan)의 형 상을 취하여 선형 익렬을 구성하였다. Table 1에서 익렬변수들을 정리하였다.
- 실험에 사용된 풍동은 개방형 저속풍동으로, 유량이 3 m5/s, 압력상승은 0.786 kPa이며, 노즐 출구에서의 난류 강도는 0.6%이다. 시험 부는 0.
성능/효과
- 윤순현 등(畛은 터빈 익렬에 유입되는 자유흐 름의 조건을 변화 시켜, 여러 가지 유동인 자의 영향을 개별적으로 파악하는 일련의 연구를 수행하였다. 격자를 사용하여 자유 흐름의 난류 강도를 증가 시켜 증가된 난류 강도가 흡입 면의 경계충 발달과 구조적 변화를 유발함을 보였고 익렬의 도 입부에 사각 주를 설치하여, 사각 주 후류로 인한 자유 흐름의 교란이 블레이드 표면의 경계층 발달 올 촉진하고, 특히 흡입 면에서의 대류 열전달을 획기적으로 증가시키는 것을 밝혔다.
- 이것은 후류의 교란으로 인하여 경계층이 층류에서 난류로 천이되었다는 것을 의미하며 이로 인한 열전달의 증가를 예측할 수 있다. 또한 Strouhal 수의 증가에 따라 형상 계수의 감소 지점이 상류로 이동하는 것을 볼 수 있으며, 따라서 천이 발생 지점이 상류로 이동할 것으로 예측된다.
- 비정상 후류는 경계층의 발달을 촉진하여 흡입 면에서의 경계층 두께가 크게 증가하였으며, 형 상계 수를 통하여 Strouhal 수의 증가에 따라 경계층 천이 지점이 상류 방향으로 이동하는 것을 확인하였다.
- 비정상 후류의 영향으로 흡입 면에서의 대류 열 전달계수가 증가하였으며, S/C = 0.6 이후에서 급격한 증가를 보였다. 그러나 Strouhal 수가 0.
- 7에서는 각 실험 경우의 블레이드 표면에서 대류 열전달 계수를 나타내었다. 후류의 영향으로 인하여 대류 열전달 계수는 전반적으로 증가하였으며, 특히 압력 면보다 흡입 면에서 확연하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 압력 면에서의 후류는 단순한 혼합의 증가에 그치지만 흡입 면에서는 혼합의 증가 이외에도 경계층의 천이와 같은 유동 구조의 변화를 유발하므로 흡입 면에서 후류의 영향이 더욱 크고, 이에 따라 대류 열전달 계수의 증가도 흡입 면에서 더욱 뚜렷하다.
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