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문제 정의
- 따라서 본 연구는 하향 원형가열평판에 중력 방향과 대향류인 원형 노즐에 의한 저속 충돌 유동 시스템에 대한 유동 현상과 열전달 현상을 구명하고자 한다.
제안 방법
- Zumbrunnen 등⑸은 충돌 제트에 의한 평판 냉각에서 열전달계수분포와 열전달 특성을 연구하였으며, Vader 등⑹은 슬롯 노즐 충돌 제트로 가열 평판을 냉각할 때, 열전달 계수 변화를 관찰하고, 이에 따른 열전달 상관관계식을 제시하였다.
- C Power Supply(③)로 전압, 전류를 조절하여 가열하였다. 가열평판은 충돌 제트의 충돌 면을 제외한 모든 면을 단열시키기 위해 테프론(k=0.232W/m・K)으로 외형 틀을 제작하여 조립하였다. ④번은 마그네틱 펌프(TUTHI LL Metering Pump : DGS 2.
- 따라서 시편의 수평 설치와 시편과 노즐의 수직 설치상태를 추와 수평.수직 검정 Laser System을 사용하여 이를 확인하였다.
- Re, , 'J N%는 제트류 중심에서 반경방향의 七위치에서레이놀드수, 너셀트수 이다. 본 실험에서는 노즐 분사 방향이 중력 방향과 반대(상향 제트)이므로 匕・c대신 식 (3) 과 같은 Vjg 식으로 대체하여, 레이놀드수, 너 셀트수를 산출하였다.
- 분사한다. 분 사류가 안정되면 열전대들로부터 측정된 온도를 Data logger 기록하고, CCD Camera로 유동 현상을 촬영한다. 가시화 광원은 일반 백색 광원을 사용하였다.
- 상기 방법에 열 유속 및 노즐의 간극 비를 각각 변화시키면서 실험을 수행하였다. 실험결과의 비교를 위해 일부 조건에 대하여 상향가열 평판, 하향노즐에서도 실험을 하였다.
- 따라서 시편의 수평 설치와 시편과 노즐의 수직 설치상태를 추와 수평.수직 검정 Laser System을 사용하여 이를 확인하였다.
- 실험을 수행하였다. 실험결과의 비교를 위해 일부 조건에 대하여 상향가열 평판, 하향노즐에서도 실험을 하였다. Table 1은 실험조건과 범위를 제시한 것이다.
- 이와 같은 중력방향과 대향류인 충돌 제트에 대한 연구는Azuma와 HOSHINO(9~13)에 의해 발표된 5편에 불과하였다. 연구내용은 충돌 면을 하향 유리면으로 하고, 상향 제트가 유리면에 충돌할 때, 천이 구간, 유동장에서의 유동 막 두께, 속도구배, 유체 막의 안정성과 벽 압력에 의한 파동 현상, 천이 영역에서 벽 거칠기의 영향 등을 구명한 것으로 유체의 유동현상에 국한된 것이었으며, 열전달 현상에 대해서는 구명한 바가 없었다.
- 실험 장치는 원형 가열 시편, 충돌유동 원형 노즐과 펌프, 항온 조, 유동 가시화 카메라 그리고, Data collector로 구성하였다. 원형평면은 알루미늄(k=238W/m・K)으로 제작하였으며(①), 가열 표면의 온도를 측정하기 위한 13개의 T-type 열전대 (②)를 설치하였고, 원형평판을 균일 열 유속 조건으로 가열하기 위하여, 원형평판의 뒷면에 면상발열체인 Silicon Rubber Heater(열용량:250W)를 부착하였다. 발열체는 D.
- ⑦번은 Data collector(model : DC100)로써 가열평판의 온도변화를 측정 및 기록하여 PC(⑧)로 보내어 Data 처리를 하게 된다. 유동 현상 가시화를 위해 CCD Camera(⑨)를 사용하였으며, 실험장치가 설치된 실험공간은 24℃ 항온으로 유지하였다.(⑩) Fig.
대상 데이터
- 분 사류가 안정되면 열전대들로부터 측정된 온도를 Data logger 기록하고, CCD Camera로 유동 현상을 촬영한다. 가시화 광원은 일반 백색 광원을 사용하였다.
- 가열 원형 충돌면의 온도변화를 측정하기 위하여 직경 200mm, 두께 10mm 인 원형 알루미늄판을 제작하고, 충돌 면을 평균 거칠기 (Ra) 가 0.11 U m(Mituyoto, SV-400; 즉정 속도 0.5mm/s) 되게 폴리싱 작업을 한 후 Fig. 3과 같이 T-type의 열전대 13개를 설치하였다. 열전대 설치는 일직선으로 하는 것이 일반적이나, 그림과 같이 “r” 자의 형태로 설치하였는데, 만약 7.
- 시편과 주위 시스템에 설치된 열전대들은 표준 항 온조(ISOTECH, VENUS), 표준 RTD(F.250)를 사용하여 20℃, 50℃, 80℃에서 최대 온도편차가 0.08℃이내인 열전대들을 선별하여 사용하였다. 실험에 사용된 노즐은 Fig.
- 1은 본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도이다. 실험 장치는 원형 가열 시편, 충돌유동 원형 노즐과 펌프, 항온 조, 유동 가시화 카메라 그리고, Data collector로 구성하였다. 원형평면은 알루미늄(k=238W/m・K)으로 제작하였으며(①), 가열 표면의 온도를 측정하기 위한 13개의 T-type 열전대 (②)를 설치하였고, 원형평판을 균일 열 유속 조건으로 가열하기 위하여, 원형평판의 뒷면에 면상발열체인 Silicon Rubber Heater(열용량:250W)를 부착하였다.
- 08℃이내인 열전대들을 선별하여 사용하였다. 실험에 사용된 노즐은 Fig. 4와 같이 내경(D)이 2mm인 원형노즐이다. H는 원형 평판과 노즐 출구 사이의 거리이며, Le 노즐의 길이이다.
- 3)로 노즐에 일정 유량을 공급하기 위하여 사용되었다. 충돌액체는 증류수를 사용하였으며, 노즐에 공급되는 증류수의 온도를 24℃로 일정하게 유지하기 위하여 ⑤번과 같이 항온조(LAUDA- RE220) 2개가 사용되었다.
데이터처리
- 하향 원형평판(down)인 경우의 값은 물이 접수되는 영역의 자료만 사용하였다. 실험 결과 비교를 위해 같은 ReTi영역에서 상향 사각 평판에 사각노즐의 실험 결과인 Vader 등⑹ 결과를 제시하였다. 본 실험결과는 하향평판에서 N =0.
이론/모형
- 본 실험 결과로부터터 열전달 상관관계식을 구하기 위하여 Zumbrunnen 등⑸이 상향 평판, 하향 제트 조건의 실험 결과에서 적용한 계산 방법을 참고하였다. 식 (1) 및 (2) 는 Zumbrunnen 등⑸이 제시한 식이며, 匕는 노즐 출구에서 유속, G는 펌프로부터 노즐 토출 유량, 匕°는 노즐과 평판사 이 의 간극 h를 고려한 평 판에서 유속이 다.
성능/효과
- (4) q"net=687(W m2) 이고, H/D=3 그리고 匕 =0.76~1.2(m/s) (匕6~ 匕迎)일 때 제트 정체 영역(七/Dr 0 ~ 7.5)에서는 노즐유속이 증가해도 久값들은 거의 같으며, 勺/Dr15이하 영역과 rjD r 35 이상인 영역에서 각 지점에 대한 노즐 유속 증가에 따른 久 값들은 적게 증가하지만 七/D = 15 ~ 30 영역에서는 상대적으로 큰 증가를 나타내고 있다.
- (1) 하향 원형평판의 제트류 유동 형태는 상향수평 평판 흐름과 다르게 중력의 영향으로 평판 끝까지 흐르지 않고 지면으로 낙하하여 가열 평판은 물의 접수 영역과 공기의 접촉 영역으로 형성된다. 노즐 유속이 증가하면 물의 접수 영역은 확장된다.
- (2) 물 접수 영역의 흐름 형태는 노즐유속이 적으면 유막흐름 영역은 미약하고 유동영역의 끝단은 물방울 형태로 낙하하고, 노즐유속이 증가하면 상류 영역에 유막 흐름 영역이 형성되면서 확장되고 하류 끝단의 물방울 낙하 형태는 6 ~ 10개의 원기둥 형태로 변화하여 낙하한다.
- (3) 실험을 한 모든 열 유속 조건에서 노즐유속 匕・ = 0.12~ 0.36(m/s)일 때 니D 전 영역의 각 점과 匕・ = 0.48~ 0.72(m/s)일 때 r/D=25 이상인 각 지점에 대한 열 유속과 H/D 변화에 따른 么값의 변화는 거의 나타나지 않는다. 匕 = 0.
- (6) 하향평판일 경우 물이 접수하는 영역에서 版方 = 0.01压特5叩「0.4 상관관계식이 잘 성립하였고, 상향평판인 경우 版方 = 0.23瓜? 3雄「0.4을잘 만족하였다.
- 본 실험 결과 중 하향원형평판의 경우 压七값이 50000일 때 Mj/Pr"4 값이 154, 瓜七값이 100,000일 때 215, 压七값이 1000, 000일 때 644 정도 Vader 등(6)의 결과 보다 각각 낮게 나타나고 있으며 하류로 갈수록 그 차이는 크게 나타난다. 이는 Vader 등⑹의 실험은 상향 사각평판에 사각 노즐이고 본 실험은 원형평판에 원형노즐이어서, 평판에 벽제트가 형성되는 순간부터 제트의 흐름이 Vader 등⑹의 경우는 양분된 유량이 평면 끝 가지 흐르는 구조이고 본 연구는 원형방향으로 분산되는 기구이므로 하류로 갈수록 寸에 비례하여 유량과 유속이 감소하게됨으로, Vader 등⑹의 실험 결과 보다 상류에서도 적게 나타나며 하류로 갈수록 유량과 유속 감소에 따른 열전달 효과가 감소하여 하류로 갈수록 Mj/Pr°・4 값의 차이가 크게 나타난다.
- 이상과 같이 실험을 한 모든 열 유속 조건에서 노즐 유속 匕 = 0.12 ~ 0.36(m / s)일 때 七/D의 모든 영 역과 匕 = 0.48 ~ 0.72(m /s)일 때 七/ D -25이상인 영역에서는 열 유속과 H/D가 변화하여도 반경방향의 hT값들은 거의 변화가 없었다.
후속연구
- 이러한 현상은 유속이 빠를수록 물의 접수영역이 확장됨으로써 공기에 의한 자연대류로 냉각되는 영역이 물의 강제대류 영역으로 확장되어 열전달효과가 커지면서 정체 영역과 그 인접영역의 열전달 율이 감소하기 때문인 것으로 사료된다. 이상과 같은 결과는 원형 가열 평판 크기에 따른 노즐 유속(유량) 최적치를 결정하는 중요한 자료로 보다 구체적인 추가 연구가 필요하다.
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