[논문]덕트 종횡비가 회전덕트 내 압력강하에 미치는 영향

김경민; 이동현; 조형희

doi:10.3795/ksme-b.2006.30.6.505

덕트 종횡비가 회전덕트 내 압력강하에 미치는 영향
Effect of Duct Aspect Ratios on Pressure Drop in a Rotating Two-Pass Duct 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.30 no.6 = no.249, 2006년, pp.505 - 513

김경민 (연세대학교 대학원 기계공학부) , 이동현 (연세대학교 대학원 기계공학부) , 조형희 (연세대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The pressure drop characteristics in a rotating two-pass duct with rib turbulators are investigated in the present study. Three ducts of different aspect ratios (W/H=0.5, 1.0 and 2.0) are employed with a fixed hydraulic diameter ($D_h$) of 26.7 mm. $90^{\circ}$-rib turbulators with $1.5mm{\times}1.5mm$ cross-section are attached on the leading and trailing surfaces. The pitch-to-rib height ratio (p/e) is 1.0. The distance between the tip of the divider and the outer wall of the duct is 1.0 W. The thickness of divider wall is 6.0 mm o. 0.225 $D_h$. The Reynolds number (Re) based on the hydraulic diameter is kept constant at 10,000 and the .elation number (Ro) is varied from 0.0 to 0.2. As duct aspect ratio increases, high friction factor ratios show in overall regions. The reason is that the rib height-to-duct height ratio (e/H) increases, but the divider wall thickness-to-duct width ($t_d/W$) decreases. The rotation of duct produces pressure drop discrepancy between the leading and trailing surfaces. However, the pressure drop discrepancy of the high duct aspect ratio (AR=2.0) is smaller than that of the low duct aspect ratio (AR=0.5) due to the decrement of duct hight (H).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 곡관부를 가진 덕트 내에서 회전수 변화에 따른 국소적인 압력강하 특성을 고찰하였다. 국소 압력강하 분포와 마찰계수, 성능평가로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

가 증가할수록 물질전달 계수가 증가한다.

제안 방법

후연면 대칭적으로 설치되어 있다. 각 종횡비를 갖는 덕트의기준 압력 점은 바깥면에 xZD/, =-12.3 (AR=0.5), x/Dh=-12.5 (AR=1.0), x/Dh=-13.0 (AR=2.0)에 각각 설치되어 있으며, 기준 압력탭과 측정 압력탭 사이의 차압은 정밀도가 0.2%인 압력센서(PSI 사, ESP-32HD)를 이용하여 측정하였다.
정도이다. 그렇지만 본 연구에서는 실험의 한계로 인해 수력직경기준 Reynolds 수는 10, 000으로 고정시키고, 회 전수(Ro)를 0.0에서 0.2(=420 rpm)까지 0.05(= 105 rpm)씩 변화시 켜 가며 국소압력 강하 및 각 구간에서의 마찰계수를 구하여 회전수에 따른 영향을 고찰하였다. 또한, 본 연구의 마찰계수와 선행연구 된 Kim 등의 물질전달 계수 비 (/Sh°)로부터 열/물질 성능계수를 구하였다.
그러므로 회전덕트 내 각 영역에서의 열/유동 특성에 관한 종합적인 이해자료와 내부유로 설계 자료 및 수치해석을 위한 검증자료가 부족한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 Kim 등 의해 얻어진 국소적인 물질전달 분포와 현재의 국소적인 압력강하 특성 및 마찰계수로부터 각각의 덕트 종횡비 에 따른 성 능계수를 측정하였다.
05(= 105 rpm)씩 변화시 켜 가며 국소압력 강하 및 각 구간에서의 마찰계수를 구하여 회전수에 따른 영향을 고찰하였다. 또한, 본 연구의 마찰계수와 선행연구 된 Kim 등의 물질전달 계수 비 (/Sh°)로부터 열/물질 성능계수를 구하였다.
9%이다. 마찰계수는 Petukhov0에 의해 제시된 매끈한 파이프에서의 완전 발달한 난류 유동장에서의 마찰계수, /0(= 2(2.236-4.6392)와의 비, /의 형태로 제시하였다. 또한 각 유로에서의 열전달 향
측정하여 회전으로 인해.발생하는 코리올리력 (Coriolis force) 의 영향을 찾아내었다. 또한 회전하는 덕트 내 곡관부로 인한 열전달 특성을 찾기 위해 Wagner 등은 덕트 내부의 열전달을 측정하여 '특성을 파악하고, 회전으로 인한 원심 부력(buoyancy force)에 '관해 연구하였다.
0인 덕트의 각 부분의 명칭 및 좌표계이다. 실험에 사용된 사각 덕트들의 종횡비는 0.5, 1.0, 2.0이며, 각 덕트의 수력직경(Dk)은 26.7mm 로 일정하게 제작하였다. 이 '실험 덕트들은 180°의 곡관부로 연결된 2중의 유로로 제작하였다.
그러나최근 압력강하를 찾기 위해 Kim 등("5)은 매끈한 덕트와 90도 요철이 설치된 회전덕트 내에서의 압력강하를. 측정하였고, Prabhu와 VedulaSJ는 회전하는 덕트 내 분'리벽 두께를 바꿔가며 곡관부에서의 압력강하 특성을 찾아내었다. 이 연구로부터 이들은 곡관부의 두께가 증가할수록 압력강하가 감소하는 것을 찾아내었고 요철에 의해 큰 압력강하가 나타나는 것을 밝혀내었다.
6(a)과 같이 정지한 경우, 전.후연면의 압력강하 값이 1차유로, 곡관부 및 2차유로의 전 구간에서 오차범위 내이므로 전연면만 제시하였다. 1차유로에서는 종횡비가 클수록 압력강하가 크게 나타났는데, 이는 요철높이 대 덕트높이 비(e/H)가 종횡비가 클수록 유동의 막힘 현상이 커져 압

성능/효과

(1) 정지한 덕트 및 회전하는 덕트 내에서의 가장 큰 압력강하 및 마찰손실은 곡관부 및 2차유로 상류에서 발생하였으며, 종횡비가 증가할수록 압력강하가 증가하였다. 이는 곡관부로 인해 급속히 유동 방향이 전환되면서 강한 이차유동을 생성시키기 때문이다.
(2) 회 전수가 증가할수록 코리 올리력 이 커져 전후연면의 압력차가 커지나, 종횡비가 클수록 압력차는 작아진다. 즉, 1차유로에서는 후연면으로 유동이 치우치게 되며, 2차유로에서는 1차 유로와 달리' 전연면으로 유동이 힘을 받게 된다.
(3) 전체적으로 종횡비가 클수록 열전달 및 압력강하가 크게 나타난다. 하지만, 일정 이송동력조건 하에서의 전연면과 후연면에서의 열/물질성능계수는 종횡비가 작은 경우에 마찰손실이 더욱 감소하여 더 높게 나타나게 된다.
덕트를 통과하는 공기의 질량유량과 Reynolds 수의 불확실성은 Kline과 McClintock의 기술 방법에 의해 95%의 신뢰수준에서 각각 1.0%와 1.4%이며, 국소적인 압력강하와 각 구간에서의 마찰계수의 불확실성은 각각 4.7%와 4.9%이다. 마찰계수는 Petukhov0에 의해 제시된 매끈한 파이프에서의 완전 발달한 난류 유동장에서의 마찰계수, /0(= 2(2.
후연면의 물질전달 계수는 비슷하게 나타났다. 덕트의 1차유로에서는 종횡비가 증가할수록 요철높이 대 덕트높이 비0가 증가하여 평균 물질전달 계수가 증가하였지만, 곡관부에서는 종횡비가 작을수록 곡관부 내벽 끝단과 외벽사이가 짧아져 딘와류(Dean vortex)가 미치는 영향이 상대적으로 커지게 되어 물질전달 계수가 높게 나타났다. 그리고 2차유로에서의 물질전달계수는 1차유로와 마찬가지로 종횡비가 증가할수록 높게 나타났다.
회전으로 인해코리 올리력 이 발생 하였기 때문이다. 따라서 1차 유로에서는 후연면으로 유동이 편향되어 후연면의 압력 계수가 높아졌으며, 2차유로에서는 전연면으로 유동이 편향되어 전연면의 압력 계수가 높아졌다. 종횡비가 클수록 전.
9는 일정 이송동력 조건 하에서의 전연면과 후연면에서의 열/물질 성능계수를 제시한 것으로, 일반적으로 높은 물질전달이 일어나면서 낮은 마찰 손실 특성을 나타내는 경우 높은 성능계수를 예상할 수 있다. 전체 구간에 대한 성능계수는 요철에 의한 열전달 향상이 마찰손실의 크기보다 작기 때문에 성능계수가 1.0보다 크게 나타났으며, 종횡비가 작을수록 마찰손실이 크게 감소하기 때문에 열/물질 성능계수가 높게 나타났다.

후속연구

내부유로의 냉각성능 및 효율은 곡관부, 요철, 회전, 유로의 형상에 의해 크게 좌우된다. 따라서 보다 높은 냉각성능을 갖는 터빈 블레이드 내부 냉각 유로 설계를 위해서는 곡관부, 요철 및 회전 등의 각각의 인자가 열전달, 압력강하 및 내부 유동에 미치는 영향을 파악하는 것이 필수적이며, 더 나아가 이들의 복합적인 특성을 찾기 위한 연구를 진행하여야 한다.

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Kim, K. M., Kim, Y. Y., Rhee, D. H. and Cho, H. H., 2004, 'Detailed Measurement of Heat/Mass Transfer in a Rotating Two-Pass Duct (II),' Transactions of the KSME(B), Vol. 28, No. 8, pp. 921-928

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Petukhov, B. S., 1970, Advances in Heat Transfer, Vol. 6, pp. 503-504, Academic Press, New York

저자의 다른 논문 :

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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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