[논문]90도 요철이 설치된 회전덕트에서 유출이 열/물질전달에 미치는 영향

박석환; 전윤홍; 김경민; 이동현; 조형희

doi:10.5293/kfma.2006.9.1.025

90도 요철이 설치된 회전덕트에서 유출이 열/물질전달에 미치는 영향
Effects of Bleeding on Heat/Mass Transfer in a Rotating Channel with Transverse Ribs 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.9 no.1 = no.34, 2006년, pp.25 - 31

박석환 (연세대학교 대학원 기게공학부) , 전윤홍 (연세대학교 대학원 기게공학부) , 김경민 (연세대학교 대학원 기게공학부) , 이동현 (연세대학교 대학원 기게공학부) , 조형희 (연세대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study investigates the effects of bleed flow on heat/mass transfer and pressure drop in a rotating channel with transverse rib turbulators. The hydraulic diameter $(D_h)$ of the square channel is 40.0mm. The bleed holes are located between the rib turbulators on leading surface and the hole diameter (d) is 4.5 mm. The square rib turbulators are installed on both leading and trailing surfaces. The rib-to-rib pitch is 10.0 times of the rib height(e) and the rib height-to-hydraulic diameter ratio $(e/D_h)$ is 0.055. The tests were conducted at various rotation numbers (0, 0.2, 0.4), while the Reynolds number and the rate of bleed flow to main flow (BR) were fixed at 10,000 and $10\%$, respectively. The results suggest that the heat/mass transfer characteristics in the internal cooling passage are influenced by rib turbulators, bleed flow and the Coriolis force induced by rotation. For the rotating ribbed passage with bleed flow, the heat/mass transfer on the leading surface is hardly affected by bleed flow, but that on the trailing surface decreases due to the diminution of main flow. The results also show that the friction factor decreases with the bleed flow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

알 수 있는 자료는 부족한 상황이다. 따라서 Kim 등⑻⑼은 요철이 없고 전연 면에 유출 홀이 설치된 회전하는 사각덕트 유로에서 회전수와 유출유량 변화에 따른 열전달 특성에 대하여 고찰하였다. 하지만, 요철을 설치하면 열전달이 향상되기 때문에 본 연구에서는 90도 요철이 설치된 회전하는 유로에서 유출 유동과 회전수에 따른 열/물질전달 특성을 고찰하였다.
따라서 Kim 등⑻⑼은 요철이 없고 전연 면에 유출 홀이 설치된 회전하는 사각덕트 유로에서 회전수와 유출유량 변화에 따른 열전달 특성에 대하여 고찰하였다. 하지만, 요철을 설치하면 열전달이 향상되기 때문에 본 연구에서는 90도 요철이 설치된 회전하는 유로에서 유출 유동과 회전수에 따른 열/물질전달 특성을 고찰하였다.

제안 방법

열전달 특성을 고찰하였다. Ekkad 등⑵은 정지한 2차 유로에서 TLC (Thermochronic Liquid Crystal) 를 이용하여 유출 홀과 요철의 다양한 형상에 따른 열전달 특성을 고찰하였고, 또한 가시화를 통해 유동 특성에 대한 이해를 높였다. Rigby 등⑶과 Stephens 등⑷은 수치해석을 통해 유출홀과 요철이 설치된 유로에서 열전달 특성에 대하여 고찰하였으며, 유출홀 출구부분에서 복잡한 유동구조를 밝혀내었다.
Taslim 등⑸은 경사진 덕트에서 요철과 유출홀의 영향에 대하여 요철의 크기를 바꾸어가며 고찰하였다. Ireland 등⑹은 유출 홀 입구에서 열전달 특성에 대하여 실험과 수치해석을 병행하였고, Byerley 등⑺은 충돌 각 90도인 요철과 요철 중간에 엇갈린 배열의 유출 홀이 설치된 유로에서의 열전달 특성에 대하여 고찰하였다.
Ekkad 등⑵은 정지한 2차 유로에서 TLC (Thermochronic Liquid Crystal) 를 이용하여 유출 홀과 요철의 다양한 형상에 따른 열전달 특성을 고찰하였고, 또한 가시화를 통해 유동 특성에 대한 이해를 높였다. Rigby 등⑶과 Stephens 등⑷은 수치해석을 통해 유출홀과 요철이 설치된 유로에서 열전달 특성에 대하여 고찰하였으며, 유출홀 출구부분에서 복잡한 유동구조를 밝혀내었다. Taslim 등⑸은 경사진 덕트에서 요철과 유출홀의 영향에 대하여 요철의 크기를 바꾸어가며 고찰하였다.
Rigby 등⑶과 Stephens 등⑷은 수치해석을 통해 유출홀과 요철이 설치된 유로에서 열전달 특성에 대하여 고찰하였으며, 유출홀 출구부분에서 복잡한 유동구조를 밝혀내었다. Taslim 등⑸은 경사진 덕트에서 요철과 유출홀의 영향에 대하여 요철의 크기를 바꾸어가며 고찰하였다. Ireland 등⑹은 유출 홀 입구에서 열전달 특성에 대하여 실험과 수치해석을 병행하였고, Byerley 등⑺은 충돌 각 90도인 요철과 요철 중간에 엇갈린 배열의 유출 홀이 설치된 유로에서의 열전달 특성에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 수력직경 40 mm인 90도 요철이 설치된 회전하는 사각 유로에서 전연 면에 설치된 유출 홀을 통한 회전수 변화에 따른 전/후연면에서의 열/물질전달 특성을 고찰하였으며, 국소 열/물질전달계수의 분포와 평균 열/물질전달계수로부터 다음과 같은 결과를 얻었다.

이론/모형

본 연구에서는 열전달과 물질전달 간의 상사성을 이용한 나프탈렌 승화 법으로 실험을 수행하였으며, 자세한 실험결과 처리 과정은 Cho 등"°)에 제시되어 있다. 나프탈렌이 코팅되어 있는 면의 높이를 실험 전후로 측정하여 국소 물질전달 계수를 구하고, 이로부터 무 차원 물질전달 계수인 Sherwood 수를 구할 수 있다.
이때 D咐는 공기 중에서의 나프탈렌 확산계수이며, 물성치는 Goldstein과 Cho""에 의하여 제시된 값을 이용하였다. 본 실험에서 Sh 수의 불확실성은 Kline과 McClintock'⑵의 방법에 의하여 95% 신뢰수준에서 7.
비 (以)로 나타내었다. 이때 fo는 완전 발달원형 관에서의 마찰계수로 Petukhov"" 가 제안한 Karman-Nikuradse 방정식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 유출 유동이 없는 회전하는 요철이 설치된 유로에서, 회전수가 증가함에 따라, 코리올리력이 크게 발생하여 전연 면의 열/물질전달은 점점 감소하고, 후 연 면은 강한 이차유동으로 인해 점점 높아지는 결과를 얻었다.
(2) 유출 유동이 있는 정지한: 요철이 설치된 유로에서, 전연면의 열/물질전달은 유출 유동이 없는 경우보다 높게 나타났다. 그 이유는 재부착이 유출유동에 의해 강해졌기 때문이다.
(3) 유출 유동이 있는 회전하는 유로에서, 전연 면에서 열/물질 진달은 같은 회전수에서 유출이 없는 경우와 거의 같게 나타나는 결과를 얻었다. 그 이유는 유출 유동은 열/물질전달에 거의 영향을 미치지 못하고, 요철이 설치된 회전 유로에서 요철에 의한 재부착과 회전에 의한 이차 유동의 영향이 주요인으로 작용하기 때문이다.
(4) 회전수 증가에 따라, 이차 유동에 의한 난류 강도의 증가로 인해 마찰계수는 모든 경우에 점차 증가하게 나타났다. 유출이 있는 경우 없는 경우보다 마찰계수가 감소하게 된다.
후 연 면의 열/물질전달계수는 전체 영역에서 재부착이 코리올리력에 의해 강해지기 때문에 높게 나타나게 된다. 또한, 회전수가 증가할수록 전연 면의 평균 열/물질전달은 더욱더 감소하지만, 후 연 면의 열/물질전달은 증가한다.
이용하였다. 본 실험에서 Sh 수의 불확실성은 Kline과 McClintock'⑵의 방법에 의하여 95% 신뢰수준에서 7.76%의 값을 갖는다.
유출 유동이 있고 요철이 설치된 유로에서 정지한 경우, 전연 면의 열/물질전달은 유출이 없는 경우보다 유출 유동에 의한 영향으로 인해 약 11% 정도 높게 나타났지만, 후 연 면은 주유 동의 감소로 인하여 더 낮게 나타났다. 유로가 회전할 때, 회전수가 증가할수록 후 연 면은 열/물질전달이 높게 나타났지만, 같은 회전수에서 전연 면의 열/물질전달은 유출 유동이 있는 경우와 없는 경우 모두 같게 나타났다. 한 예로, Fig.
8은 각각의 경우에 구간 평균된 물질전달계 수비를 나타내고 있다. 유출 유동이 있고 요철이 설치된 유로에서 정지한 경우, 전연 면의 열/물질전달은 유출이 없는 경우보다 유출 유동에 의한 영향으로 인해 약 11% 정도 높게 나타났지만, 후 연 면은 주유 동의 감소로 인하여 더 낮게 나타났다. 유로가 회전할 때, 회전수가 증가할수록 후 연 면은 열/물질전달이 높게 나타났지만, 같은 회전수에서 전연 면의 열/물질전달은 유출 유동이 있는 경우와 없는 경우 모두 같게 나타났다.
또한, 후연면의 열/물질전달은 주유 동의 감소로 때문에 낮게 나타났다. 회전수가 증가함에 따라, 회전에 의한 코리올리력에 의해 전연면의 열/ 물질전달은 점점 감소하고, 후 연 면은 점점 높아지는 결과를 얻었다.

참고문헌 (17)

Douglas, T. and Philip, P., 2000, 'Experimental Heat Transfer and Bulk Air Temperature Measurements for a Multipass Internal Cooling Model with Ribs and Bleed,' ASME Paper No. 2000-GT-233
Ekkad, S. V., Huang, Y. and Han, J. C., 1996, 'Detailed Heat Transfer Distributions in Two-Pass Smooth and Turbulated Square Channels with Bleed Holes,' 1996 National Heat Transfer Conference, Vol. 8, pp. 133-140
Rigby, D. L., Steinthorsson, E. and Ameri, A. A., 1997, 'Numerical Prediction of Heat Transfer In a Channel with Ribs and Bleed,' ASME Paper No. 96-GT-431
Stephens, M. A., Shih, T. I. and Civinskas, K. C., 1995, 'Computation of Flow and Heat Transfer In a Rectangular Channel with Ribs,' AIAA Paper No. 95-0180
Taslim, M. E., Li, T. and Spring, S. D., 1995, 'Experimental Study of the Effects of Bleed Holes on Heat Transfer and Pressure Drop in Trapezoidal Passges with Tapered Turbulators,' Journal of Turbomachinery, Vol. 117, pp. 281-289

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Byerley, A. R., Jones, T. V., and Ireland, P. T., 1992, 'Internal Cooling Passage Heat Transfer Near The Entrance To a Film Cooling Hole: Experimental and Computational Results,' ASME Paper No. 92-GT-241
Shen, J. R., Wang, Z., Ireland, P. T., Jones, T. V. and Byerley, A. R., 1996, 'Heat Transfer Enhancement Within a Combinations of Ribs With Film Cooling Holes,' Journal of Turbomachinary, Vol. 118, pp. 428-434

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Kim, S. I., Kim, K. M., L, D. H., Jeon, Y. H., Cho, H. H., 2005, 'Change of Heat Transfer Characteristics In a Rotating Channel of Square Duct at Wall with Bleed Holes (I)', Proceeding of the SAREK Vol. 17, pp. 898-906
Kim, S. I., Kim, K. M., L, D. H., Jeon, Y. H., Cho, H. H., 2005, 'Change of Heat Transfer Characteristics In a Rotating Channel of Square Duct at Wall with Bleed Holes (II).' Proceeding of the SAREK Vol. 17, pp. 907-913
Cho, H. H., Kim, Y. Y., Kim, K. M. and Rhee, D. H., 2003, 'Effects of Rib Arrangements and Rotating Speed on Heat Transfer in a Two-Pass Duct,' ASME Paper No. GT-2003-38609
Goldstein, R. J. and Cho, H. H., 1995, 'A Review of Mass Transfer Measurement Using Naphthalene Sublimation,' Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 10, pp. 416-434

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Kline, S. J. and McClintock, F. A., 1953, 'Describing Uncertainty in Single -Sample Experiments,' Mechanical Engineering, Vol. 75, pp. 3-8
McAdams, W. H., 1942, 'Heat Transmission, 2nd Edition,' McGraw-Hill, New York
Petukhov, B. S., 1970, Advances in Heat Transfer, 6, pp. 503-504, Academic Press, New York
Kukreja, R. T., Lau, S. C. and McMillin, R. D., 1993, 'Local Heat/ Mass Transfer Distribution in a Square Channel with Full and V - shaped Ribs,' Int. J. Heat Mass Transfer, 36, pp. 2013-2020

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Agliga, D. A., 1994, 'Convective Heat Transfer Distributions over Plates with Square Ribs from Infrared Thermography Measurements,' Int. J. of Heat Mass Transfer, 36 (3), pp. 363-374
Acharya, S., Myrum, T., Qiu, X. and Sinha, S., 1997, 'Developing and Periodically Developed Flow, Temperature and Heat Transfer in a Ribbed Duct,' Int. J. of Heat Mass Transfer, 40, pp. 461-479

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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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