[논문]계단형 슬롯출구의 높낮이 변화에 따른 2차원 막냉각 특성

손창호; 김태묵; 이근식

doi:10.3795/ksme-b.2005.29.1.046

계단형 슬롯출구의 높낮이 변화에 따른 2차원 막냉각 특성
2-Dimensional Film Cooling Characteristics with the Height Variation of a Stepped Slot Exit 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.29 no.1 = no.232, 2005년, pp.46 - 54

손창호 (울산대학교 기계자동차공학부) , 김태묵 (울산대학교 대학원 기계자동차공학부) , 이근식 (울산대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Film cooling characteristics has been examined numerically for the height variation of a stepped slot exit. In this study, the upstream wall height of the stepped slot exit varies from -2d (d = slot width) to 3d, blowing ratio ranges from 0.5 to 3, and injection angles are $15^{\circ},\;30^{\circ},\;and\;45^{\circ}$. The results showed that film cooling performance was mainly subjected to the magnitude of recirculation region near the downstream-side slot exit as well as the magnitude and the distribution region of turbulent kinetic energy due to the local velocity and momentum differences between the coolant and the main flow near the slot exit. The up-1d type slot at higher blowing ratios over 2 and the flat type slot at lower blowing ratios below 1 have the best film cooling performances, in case of the injection angles of $30^{\circ},\;and\;45^{\circ}$, respectively. Compared with the other injection angles, in case of the injection angles of $15^{\circ}$, the best film cooling performances was shown in even a higher upstream wall (up-3d) at higher blowing ratio like 3 by the gradual reduction of the coolant velocity which minimizes the local velocity differences between the coolant and the main flow near the slot exit.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 슬롯출구 상류면 의 상승과 하강에 따른 막냉각 성능을 조사한다. 온도에 따른 물성치 변화를 고려하며, 분사비와 분사각을 변화시켜 가면서 막냉각 특성을 조사한다.
그러나 위의 연구결과는 물성치가 일정 하다는 가정하에 얻은 결과이므로 밀도 등 물성 치가 온도의 함수로 주어질 때 결과가 달라질 수 있으며, 분사비와 분사각도가 달라질 때 분사슬 롯 상류면 높이에 따른 막냉각 특성이 달라질 수 있음을 예상할 수 있다. 본 저자들은 이러한 점 에 착안하여 본 연구를 수행하게 되었다.
3(a)와 (b)에 제시 된 것과 같은 후향계단형상유동과 수직분사유동 을 선택하였다. 본 절에서의 관심사는 본 연구에서 사용할 난류모델이 선행연구결과와 비교할 때 타당한가를 검 증하는 것이 므로, 계 단형 상유동의 재부착길이 또는 수직분사유동의 재순환영역의 크기를 서로 비교하고자 한다. 격자계는 계단형 상유동에서는 200 x100으로 하였고 수직분사유동 의 주유동 영 역은 300 xlOO, 분사유동 영 역은 20 x50으로 하였다.
해석방법은 전산열유동해석 상용 소프트웨어인 FLUENT를 이용하여 유동장과 온 도장을 계산한다. 이로부터 압력분포, 유선분포, 난류강도분포, 온도분포를 구하여 하류의 막냉각 특성을 밝히고 설계 맵을 제공하는 것이 본 연구의 목적이다.

제안 방법

이산화 방법으로는 2차 풍상 차분법 (2nd order upwind difference)을 선택하였다. 수렴조건은 조건에 따라 달랐지만 각 경우마다 대체로 상대오차를 10"으로 하였으 며 이에 따른 반복계산 횟수는 12,000~20, 000번 사이로 수행되었다.
본 절에서는 분사비 1이하의 경우 평평면에서 가장 막냉각 효율。' 좋은 이유를 규명하기 위해 대표적으로 분사비가 Q5일 때 평평면과 Id-상승 면에 대한 온도분포, 유선분포, 압력분포, 난류운 동에너지분포의 비교하였으며 Fig. 7에 제시되어 있다. 평평면의 경우 저속의 냉각제는 슬롯 출구 를 통과한 후 주류에 제압되어 유효 유동단면적 이 감소하게 되며 이로 인하여 가속되는 효과가 발생된다.
(4) 막냉각 효율을 일정하게(75%) 설정하였을 때 하류냉각거리를 슬롯출구 상류면 높낮이, 분 사비와 분사각에 따라 표시한 일종의 설계 맵을 제공하였다. 이 변수들을 적절히 조합하면 막냉 각의 설계 기초자료로 활용할 수 있다.
6에서 살필 수 있다. 각각의 분사비 에서 가장 막냉각 효율이 높은 2가지 슬롯 형상 을 한 그래프에 조합하여 나타내'었다. 분사비가 클수록 막냉각 효율이 높아지나 분사비 증가에 따른 막냉각 효율의 증가가 둔해짐을 볼 수 있다.
경계조건은 모든 벽면에서 점착조건과 단열조건을 적용하였고 주류와 냉각류의 유입부에서는 모두 균일한 속도와 온도를 지정하였다. 출구에 서는 압력을 제외한 모든 물리적 양의 출구단면 에 수직인 방향으로의 변화율을 0으로 지정하였다.
경사진 계단형상의 슬롯출구에서 막냉각 특성을 수치해석 방법을 이용하여 조사하였다. 상류 면의 높이, 분사비와 분사각의 서로 다른 조합은 슬롯출구 부근의 유동장 형상을 강하게 지배하며, 이로 인하여 하류의 막냉각 성능이 크게 달 라짐을 알 수 있었다.
출구에 서는 압력을 제외한 모든 물리적 양의 출구단면 에 수직인 방향으로의 변화율을 0으로 지정하였다. 모든 계산에서 주류의 입구온도는 1500 K, 입구속도는 20 m/s로 지정하였고 냉각제의 입구 온도는 700 K, 입구속도는 분사비에 해당하는 질 량유량이 되도록 지정하였다. 이산화 방법으로는 2차 풍상 차분법 (2nd order upwind difference)을 선택하였다.
온도에 따른 물성치 변화를 고려하며, 분사비와 분사각을 변화시켜 가면서 막냉각 특성을 조사한다. 본 연구에는 후향계단형상유동과 분사유동의 박리-재부착 특성이 포함되어 있으므로, 본 연구에서 사용할 격자와 난류모델의 타당성에 대한 예비 검증단계로 이 두 가지 유동을 계산하고 선 행 실험 및 계산결과와 비교 분석한다. 슬롯출구 상류면의 상승과 하강범위는 -2d(d는 슬롯폭)에서 3d까지, 분사비는 0.
본 연구에서는 유한체적법을 사용하는 상용 전 산유동해석 코드인 FLUENT 5를 사용하여 수치 적 계산을 수행하였다. 온도에 따른 공기의 물성 치 즉 정압비열, 열전도율, 점성계수의 변화를 고 려하였으며, 특히 밀도의 변화는 마하수가 작으 므로 압력에 관계없이 온도만의 함수로 가정하는 비압축성 이상기체로 취급하여 계산하였다.
본 연구에서는 유한체적법을 사용하는 상용 전 산유동해석 코드인 FLUENT 5를 사용하여 수치 적 계산을 수행하였다. 온도에 따른 공기의 물성 치 즉 정압비열, 열전도율, 점성계수의 변화를 고 려하였으며, 특히 밀도의 변화는 마하수가 작으 므로 압력에 관계없이 온도만의 함수로 가정하는 비압축성 이상기체로 취급하여 계산하였다. 난류 모델로는 유동박리 등을 잘 예측하는 것으로 알 려 진 실현가능(realizable) k-e 모델何을 사용하였다.
1과 같이 슬롯출구 상류면 의 상승과 하강에 따른 막냉각 성능을 조사한다. 온도에 따른 물성치 변화를 고려하며, 분사비와 분사각을 변화시켜 가면서 막냉각 특성을 조사한다. 본 연구에는 후향계단형상유동과 분사유동의 박리-재부착 특성이 포함되어 있으므로, 본 연구에서 사용할 격자와 난류모델의 타당성에 대한 예비 검증단계로 이 두 가지 유동을 계산하고 선 행 실험 및 계산결과와 비교 분석한다.

이론/모형

온도에 따른 공기의 물성 치 즉 정압비열, 열전도율, 점성계수의 변화를 고 려하였으며, 특히 밀도의 변화는 마하수가 작으 므로 압력에 관계없이 온도만의 함수로 가정하는 비압축성 이상기체로 취급하여 계산하였다. 난류 모델로는 유동박리 등을 잘 예측하는 것으로 알 려 진 실현가능(realizable) k-e 모델何을 사용하였다. Fig.
모든 계산에서 주류의 입구온도는 1500 K, 입구속도는 20 m/s로 지정하였고 냉각제의 입구 온도는 700 K, 입구속도는 분사비에 해당하는 질 량유량이 되도록 지정하였다. 이산화 방법으로는 2차 풍상 차분법 (2nd order upwind difference)을 선택하였다. 수렴조건은 조건에 따라 달랐지만 각 경우마다 대체로 상대오차를 10"으로 하였으 며 이에 따른 반복계산 횟수는 12,000~20, 000번 사이로 수행되었다.
5에서 3까지, 분사각은 15도, 30도, 45도이다. 해석방법은 전산열유동해석 상용 소프트웨어인 FLUENT를 이용하여 유동장과 온 도장을 계산한다. 이로부터 압력분포, 유선분포, 난류강도분포, 온도분포를 구하여 하류의 막냉각 특성을 밝히고 설계 맵을 제공하는 것이 본 연구의 목적이다.

성능/효과

(1) 일정 분사비와 분사각에 대하여, 슬롯출구 상류면 높이를 변화시켰을 때, 막냉각 성능을 최 대로 하는 최적의 슬롯출구 상류면 높이가 존재 하였다.
(2) 일정 분사각에 대하여, 분사비를 변화시켰 을 때, 각각의 분사비에서 막냉각 효율을 최대로 하는 최적의 슬롯줄구 상류면 높이가 존재하였다. 분사비의 증가에 대한 막냉각 효율의 상승은 저분 사비에서는 현저하였으나, 고분 사비에서는 둔화되었다.
(3) 일정 분사비와 슬롯출구 상류면 높이에 대하여 , 분사각을 변화시켰을 때, 막냉 각 효율의 차이는 고분사비 에서는 현저 하나, 저분사비 에서는 작았다. 고분사비(1 이상)와 상승상류면(Id 이상) 의 경우 저 분사각(15도)으로 하는 것이 바람직하며, 저분사비(1 이하)와 평평면 이하의 하강상류 면의 경우 적정 분사각(30도)을 선정하는 것이 바 람직 하다.
냉각 제 슬롯줄구 상류면의 상승과 하강에 따른 막냉 각 성능은 노석만 등("이 분사비를 1, 분사각을 30도로 일정하게 유지하였을 때 조사하였으며, 연구결과에 의하면 분사출구 상류면을 슬롯폭 만 큼 상승하였을 때 막냉각 성능이 가장 우수함을 밝혔다. 그러나 위의 연구결과는 물성치가 일정 하다는 가정하에 얻은 결과이므로 밀도 등 물성 치가 온도의 함수로 주어질 때 결과가 달라질 수 있으며, 분사비와 분사각도가 달라질 때 분사슬 롯 상류면 높이에 따른 막냉각 특성이 달라질 수 있음을 예상할 수 있다. 본 저자들은 이러한 점 에 착안하여 본 연구를 수행하게 되었다.
(2) 일정 분사각에 대하여, 분사비를 변화시켰 을 때, 각각의 분사비에서 막냉각 효율을 최대로 하는 최적의 슬롯줄구 상류면 높이가 존재하였다. 분사비의 증가에 대한 막냉각 효율의 상승은 저분 사비에서는 현저하였으나, 고분 사비에서는 둔화되었다. 따라서 어느 정도 이상의 분사비는 비효율적이다.
경사진 계단형상의 슬롯출구에서 막냉각 특성을 수치해석 방법을 이용하여 조사하였다. 상류 면의 높이, 분사비와 분사각의 서로 다른 조합은 슬롯출구 부근의 유동장 형상을 강하게 지배하며, 이로 인하여 하류의 막냉각 성능이 크게 달 라짐을 알 수 있었다. 이는 주류와 냉각제의 속 도 및 운동량의 차이에 의한 난류운동에너지 생 성 크기 및 분포 영역의 차이와 분사비와 분사각 및 슬롯출구 기 하학적 형 상에 의한 재 순환영역 의 크기와 형상에 크게 기인함을 알 수 있었다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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Rodi, W., 1984, Turbulence Models and Their Application in Hydraulics, pp. 66-67

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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