초기 횡방향 유동이 존재하는 충돌제트/유출냉각에서 요철이 설치된 유출면에서의 열/물질전달 특성 Heat/Mass Transfer Characteristics on Rib-roughened Surface for Impingement/Effusion Cooling System with Initial Crossflow원문보기
The present study is conducted to investigate the effect of rib arrangements on an impingement/effusion cooling system with initial crossflow. To simulate the impingement/effusion cooling system, two perforated plates are placed in parallel and staggered arrangements with a gap distance of 2 times o...
The present study is conducted to investigate the effect of rib arrangements on an impingement/effusion cooling system with initial crossflow. To simulate the impingement/effusion cooling system, two perforated plates are placed in parallel and staggered arrangements with a gap distance of 2 times of tile hole diameter. Initial crossflow passes between the injection and effusion plates, and the square ribs (3mm) are installed on the effusion plate. Both the injection and effusion hole diameters are 10mmand Reynolds number based on the hole diameter and hole-to-hole pitch are fixed to 10,000 and 6 times of the hole diameter, respectively. To investigate the effects of rib arrangements, various rib arrangements, such as 90$^{\circ}$transverse and 45$^{\circ}$angled rib arrangements, are used. Also, the effects of flow rate ratio of crossflow to impinging jets are investigated. With the initial crossflow, locally low transfer regions are formed because the wall jets are swept away, and level of heat transfer rate get decreased with increasing flow rate of crossflow. When the ribs are installed on the effusion plate, the local distributions of heat/mass transfer coefficients around the effusion holes are changed. The local heat/mass transfer around the stagnation regions and the effusion holes are affected by the rib positions, angle of attack and rib spacing. For low blowing ratio, the ribs have adverse effects on heat/mass transfer, but for higher blowing ratios, higher and more uniform heat transfer coefficient distributions are obtained than the case without ribs because the ribs prevent the wall jets from being swept away by the crossflow and increase local turbulence of the flow near the surface. Average heat transfer coefficients with rib turbulators are approximately 10% higher than that without ribs, and the higher values are obtained with small pitch of ribs. However, the attack angle of the rib has little influence on the average heat/mass transfer.
The present study is conducted to investigate the effect of rib arrangements on an impingement/effusion cooling system with initial crossflow. To simulate the impingement/effusion cooling system, two perforated plates are placed in parallel and staggered arrangements with a gap distance of 2 times of tile hole diameter. Initial crossflow passes between the injection and effusion plates, and the square ribs (3mm) are installed on the effusion plate. Both the injection and effusion hole diameters are 10mmand Reynolds number based on the hole diameter and hole-to-hole pitch are fixed to 10,000 and 6 times of the hole diameter, respectively. To investigate the effects of rib arrangements, various rib arrangements, such as 90$^{\circ}$transverse and 45$^{\circ}$angled rib arrangements, are used. Also, the effects of flow rate ratio of crossflow to impinging jets are investigated. With the initial crossflow, locally low transfer regions are formed because the wall jets are swept away, and level of heat transfer rate get decreased with increasing flow rate of crossflow. When the ribs are installed on the effusion plate, the local distributions of heat/mass transfer coefficients around the effusion holes are changed. The local heat/mass transfer around the stagnation regions and the effusion holes are affected by the rib positions, angle of attack and rib spacing. For low blowing ratio, the ribs have adverse effects on heat/mass transfer, but for higher blowing ratios, higher and more uniform heat transfer coefficient distributions are obtained than the case without ribs because the ribs prevent the wall jets from being swept away by the crossflow and increase local turbulence of the flow near the surface. Average heat transfer coefficients with rib turbulators are approximately 10% higher than that without ribs, and the higher values are obtained with small pitch of ribs. However, the attack angle of the rib has little influence on the average heat/mass transfer.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 이러한 영역을 감소시키고 보다 더 균일한 냉각성능을 얻을 수 있는 방법으로 초기 횡방향 유동이 존재하는 충돌제트/유출냉각방법에 대하여 유출판의 표면에 요철(rib turbulator)을 설치하는 경우에 대한 실험을 수행하였다. 이 때, 요철의 배열 및 충돌각, 횡 방향 유동의 유량을 변화시켜가며 실험을 수행하였고 요철이 설치되지 않은 경우와 냉각성능을 비교하였다.
따라서, 본 연구에서는 이러한 영역을 축소시키고 보다 더 균일한 냉각성능을 얻을 수 있는 방법으로 유출판의 표면에 요철(rib turbulator)을 설치하는 경우에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 요철설치 및 요철배열변화에 따른 열/물질전달 특성을 고찰하기 위하여 5가지의 요철배열에 대해서 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 전체적인 열/물질전달 특성뿐만아니라 국소적인 열/물질전달 특성을 고찰하기 위하여 물질전달실험방법 중의 하나인 나프탈렌승화법을 이용하여 유출판 표면에서의 국소 물질전달계수를 측정하였다. 나프탈렌 승화법은 열전달 실험에서의 전도 및 복사오차를 제거할 수 있는 장점을 갖으며, 나프탈렌 표면은 등온조건에, 그 외의 부분들은 단열조건에 해당한다.
본 연구에서는 초기 횡방향유동의 영향을 고찰하기 위해 분사제트의 유량을 일정하게 유지하고 이에 대한 횡방향유동의 유량을 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 이때 횡방향 유동과 분사제트의 유량 비를 분사비라고 하였으며, 다음과 같이 정의된다.
본 연구에서는 초기 횡방향유동이 존재하는 충돌제트/유출냉각방법에서 요철을 설치하는 경우 국소열/물질전달 특성을 고찰하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
분사비를 변화시키기 위하여 본 연구에서는 분사 제트의 총 유량과 유출홀을 통해 나가는 유량을 홀 직경 기준 Reynolds 수 Red=10,000으로 일정하게 유지하고, 횡방향 유동의 유량을 변화시켰다.
이 때, 요철의 배열 및 충돌각, 횡 방향 유동의 유량을 변화시켜가며 실험을 수행하였고 요철이 설치되지 않은 경우와 냉각성능을 비교하였다.
충돌각이 45。인 경우는 유출홀을 기준으로 유동방향에 대한 요철의 상대적 배치에 따라 두 가지 경우(45V, 45A)<>]) 대하여 실험을 수행하였다. 이 때 요철 사이 간격 대 높이 비(尸“佐)는 20이다.
여기서 점선으로 표시된 원은 분사 홀의 위치를 나타내며, 실선으로 표시된 원은 유출 홀을 나타낸다. 유동에 대한 요철의 충돌각(angle of attack)0] 90。인 경우와 45°인 경우에 대해서 유출홀에 대한 요철의 상대적인 위치 및 요철 사이 간격을 변화시켜가며 실험을 수행하였다.
대상 데이터
국소 열/물질전달계수를 측정하기 위하여 나프탈렌이 주조된 시험시편을 유출판에 설치하였다. 시험시편은 4개의 유출홀을 갖도록 하였다.
본 연구에 사용된 실험장치는 크게 분사부, 유출부, 횡방향 유동부로 구성된다. 실험장치의 자세한 구성 및 사양은 Rhee 등“에 제시되어 있다.
시험시편은 4개의 유출홀을 갖도록 하였다. 시험시편에 주조된 나프탈렌의 면적은 8.4dx28d이며 나프탈렌 표면에서의 온도를 측정하기 위해 시편내에는 T-type 열전대를 설치하였다.
설치하였다. 시험시편은 4개의 유출홀을 갖도록 하였다. 시험시편에 주조된 나프탈렌의 면적은 8.
이론/모형
본 연구에서는 국소 열/물질전달 특성을 고찰하기 위하여 물질전달실험방법 중의 하나인 나프탈렌 승화법을 이용하였으며, 결과는 물질전달계수의 무차원 형태인 Sherwood 수로 제시하였다. Sherwood 수는 다음과 같이 표현된다.
성능/효과
(1) 초기 횡방향 유동이 존재하는 충돌 제트/유출냉각의 경우, 분사비가 작을 때에는 균일한 열/물질전달계수 분포를 보이지만 분사비가 증가함에 따라 유출홀 사이영역에서 국소적으로 열/물질전달계수가 낮은 영역이 형성되며, 전체적인 냉각성능이 저하된다.
(2) 요철을 설치하는 경우, 분사비가 낮은 경우를 제외하면, 정체점에서의 열/물질전달은 충돌제트의 영향이 지배적이기 때문에 요철이 없는 경우와 거의 동일한 반면 벽제트가 횡방향 유동에 의해 쓸려 나가는 현상이 줄어들기 때문에 국소적으로 낮은 열/물질전달계수가 나타나는 영역이 축소되거나 소멸되었다. 이로 인해 요철이 설치되지 않은 경우에 비해 전체적으로 4-10% 높은 냉각성능을 얻을 수 있었다.
(3) 분사비가 낮은 경우에는 요철의 효과가 거의 없고 오히려 벽제트가 요철에 의해 막히는 현상이 발생하여 충돌제트에 의한 효과가 감소하기 때문에 요철이 설치되지 않은 경우보다 약 10% 냉각성능이 감소하는 것으로 나타났다. 그러므로, 요철의 설치는 분사비 등의 작동조건에 따라 고려되어야 할 것으로 생각된다.
Sherwood 수에 대한 오차해석은 Kline 과 McClintock'">이 제시한 방법을 이용하여 95%의 신뢰도로 불확실성 해석을 하였으며, 전체적으로 ±7.1%의 불확실성을 갖는 것으로 나타났다.
윤필현 등(1)과 이동호 등时은 배열 충돌제트 냉각에서 횡방향 유동에 따른 열전달 특성을 고찰하였으며, 이 때 횡방향 유동이 없는 경우와 비교하였다. 그 결과, 횡방향 유동은 충돌면에서의 열전달에 매우 안 좋은 영향을 끼치며, 횡방향 유동이 없는 경우에 비해 최대 10% 이상 냉각성능이 감소하는 것으로 나타났다.
하지만, 유출판 표면 부근에서의 벽제트가 요철 설치로 횡방향 유동에 의해 쓸려 가는 현상이 거의 나타나지 않았다. 따라서, 요철이 설치되지 않은 경우 나타나는 유출 홀 사이의 낮은 열/물질전달영역이 사라지고 균일한 냉각성능을 갖는 것을 알 수 있다.
것으로 나타났다. 또한, 요철 사이의 간격이 작은 경우가 냉각성능이 제일 높으며, 요철 사이 간격이 동일한 경우, 요철의 충돌각변화에 따른 효과는 거의 없는 것으로 나타났다.
14는 요철이 설치되지 않은 경우와 90DU, 45V의 경우 분사비 변화에 따른 평균 열/물질전달계수 분포를 나타내는 그림이다. 분사비가 낮은 경우(M=0.5), 요철을 설치하는 경우가 요철이 없는 경우에 비해 약 10% 낮은 값을 갖는 것으로 나타났다. 이는 요철이 없는 경우에는 Fig.
하지만, 이차 유동의 효과가 거의 없으며 요철 하류에서 재순환 영역 형성으로 인해 열/물질전달이 감소하기 때문에 요철이 설치되지 않은 경우에 비해 냉각성능이 더 떨어질 것으로 예상된다. 분사비가 증가할수록 정체점 부근에서의 분포는 하류 쪽으로 치우치며 열/물질전달계수가 높은 영역이 축소되는 것으로 나타났다. 또한, 정체점 부근(z/d=3.
분사비가 증가함에 따라 횡방향 유동에 의한 효과가 증가하기 때문에 평균 열/물질전달계수가 감소하는 경향이 나타나지만, 요철이 설치된 경우가 요철이 없는 경우에 비해 높은 값을 갖는 것으로 나타났다.
90。요철을 설치한 경우, 요철에 의해 벽제트가 쓸려나가는 현상이 약화되며, 요철 주변에서 유동의 박리 및 재부착 현상으로 인해 충돌제트의 상류부분 열/물질전달계수가 요철이 없는 경우에 비해 높은 것을 알 수 있다. 요철 배열변화에 따른 영향을 살펴보면, 90D의 경우와 90U의 경우는 평균값의 분포가 거의 유사하며, 90DU의 경우가 요철의 영향이 크기 때문에 나머지 두 경우에 비해 약간 더 높은 값을 갖는 것으로 나타났으나, 그 차이는 크지 않은 것을 알 수 있다. 이는 전체적인 열전달은 충돌제트에 의한 영향이 지배적이기 때문이다.
하지만, 전체적인 열/물질전달계수 분포는 요철 위치 변화에 상관없이 유사한 것으로 보인다. 요철 사이 간격이 작은 경우(90DU) 요철에 의한 영향이 다른 두 경우에 비해 증가하기 때문에 좀 더 높은 열/물질전달계수를 갖는 것으로 나타났다.
이와 같이, 요철을 설치함으로써 국소적으로 열/물질전달계수를 증가시킬 수 있었으며, 균일하고 향상된 냉각성능을 얻을 수 있었다.
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