[논문]열교환기 내 리브드 튜브의 열전달 및 유체유동에 관한 수치 해석적 연구

전정도; 전언찬; 정희균; 이치우

열교환기 내 리브드 튜브의 열전달 및 유체유동에 관한 수치 해석적 연구
A Study on Numerical Analysis for Heat Transfer and Flow Characteristics in a Ribbed Tube

This study was conducted on the characteristics of fluid flow and heat transfer in the ribbed tube used for a steam power plant. It was assumed that the air is incompressible and therefore, its density is not variable according to temperature. In addition, the gravity was ignored. A commercial code of computational fluid dynamics was used and standard k-$\epsilon$ model was used together with the energy equation included to calculate heat transfer. As Reynolds No. was low at the velocity distribution in the axial direction, the air reached hydro-dynamically fully developed region shortly but high Reynolds No. yielded late full hydro-dynamic development. The velocity distribution and non-dimensional temperature distribution were all physically reasonable and thus had a good agreement with the experimental result.

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문제 정의

본 연구는 이러한 조건으로 튜브 내부의 유동현상 및 열전달에 따른 내부의 온도분포를 상용 CFD 코드를 이용해서 해석하고 그 결과를 선행연구자의 실험 결과와 비교하고자 한다. 튜브의 벽에서는 균일하게
본 연구에서는 네 가지의 Reynolds 수를 리브드 튜브에 적용해서 튜브 내부에서 공기의 유동현상에 대해서 알아본다. 그리고 균일한 열유속을 테스트 튜브에 가해서 열에너지가 전달되어서 공기의 온도를 변화시키는 것을 알아보고 그 결과를 Je[6]의 결과와 비교할 것이다.

가설 설정

본 해석에서는 온도에 따라 공기의 밀도가 변하지 않는 비압축성 유동으로 가정했으며 중력의 영향도 무시했다. 사용된 난류모델은 2 equation 난류모델인 k - e 난류모델이다.

제안 방법

80, 000에서 리브드 튜브의 유체유동 및 열전달 특성을 상용 CFD 코드를 이용해서 연구했으며 다음의 결과를 얻었다.
알아본다. 그리고 균일한 열유속을 테스트 튜브에 가해서 열에너지가 전달되어서 공기의 온도를 변화시키는 것을 알아보고 그 결과를 Je[6]의 결과와 비교할 것이다.
5에서 보는 바와 같이 테스트 튜브 중심부의 온도가 더 높다. 단 여기서는 국부온도를 실내 온도로 나눈 무차원화 된 온도를 사용해서 실험치와 비교하려고 한다. Ttotal은 테스트 튜브 내부의 국부 온도를 나타내고Troom은 실내온도를 나타낸다.
로 주어 사각형의 메쉬를 생성해서 벽 근처에서의 해석이 잘 이뤄지도록 했다. 테스트 튜브 단면의 메쉬는 관의 중심부로 갈수록 메쉬의 크기가 점점 커지는데, 가장 작은 시작 사이즈를 0.
잘 이뤄지도록 했다. 테스트 튜브 단면의 메쉬는 관의 중심부로 갈수록 메쉬의 크기가 점점 커지는데, 가장 작은 시작 사이즈를 0.2로하고, 증가율은 1.1 로해서 최대 2.5까지 커지게 해서 메쉬의 수를 줄여 계산 시간을 단축되도록 했다. 입구 면의 총 메쉬 수는 7, 966개가 있고, 축방향으로 메쉬는 모두 430개가 들어갔는데 이는 Fig.

대상 데이터

가지 만들어 해석에 사용했다.
관심대상이 아니다. 그러므로 튜브 벽은 계산에 넣지 않고 리브드 튜브의 내부 공간과 그 공간으로 유입되는 열유속 그리고 사용되는 작업유체인 15P (288.15K)의 공기만을 관심대상으로 한다.
사용된 난류모델은 2 equation 난류모델인 k - e 난류모델이다. 여기서 k - ee 난류 운동에너지
004의 비율로 입구 쪽의 메쉬 간격은 조밀하게 주고 출구 쪽의 메쉬 간격은 크게 했다. 이번 해석에 사용된 총 육면체의 볼륨메쉬의 수는 3, 425, 380개이다.
48mm 높이 1mm의 리브가 12개 설치되어 있고 리드각은 30º이다. 해석에 사용된 Reynolds 수를 계산할 때 사용된 지름은 리브에 의해 생긴 골과 산의 지름을 평균한 49mm를 사용해서 결정 했다. 리브드 튜브의 모델링은 먼저 튜브내 공간의 단면을 그리고 메쉬를 적용한 후에 그 단면을 축방향으로 리드각이 30º가 되게 sweep해서 3차원 모형과 메쉬를 동시에 생성시켰다.
해석에 사용된 모델은 입구, 출구 그리고 벽으로 구성되어 있다. 입구에는 velocity inlet 조건을 사용했으며 출구는 pressure outlet 조건을 사용했다.

데이터처리

이 열유속 값을 선택한 이유는 Je[6]의 결과와 비교하기 위해서이다. 이 리브드 튜브는 상용 CFD 코드를 이용해서 유체유동 및 열전달에 관한 해석을 할 것이고, 그 결과를 선행 연구자의 실험 결과와 비교할 것이다.

이론/모형

압력과 속도장의 처리에 있어서는 연속방정식을 이용하여 압력보정 방정식을 유도하고 해를 구하여 그 결과를 제어체적면의 질량보존 법칙에 따라 압력과 속도를 연결시키는 SIMPLE 알고리즘을 사용했다. 이산화 방법에는 압력은 Second Order Scheme을 사용하고 momentum, turbulent kinetic energy, turbulent dissipation rate 그리고 energy는 Second Order Upwind Difference Scheme을 사용했다.
압력과 속도장의 처리에 있어서는 연속방정식을 이용하여 압력보정 방정식을 유도하고 해를 구하여 그 결과를 제어체적면의 질량보존 법칙에 따라 압력과 속도를 연결시키는 SIMPLE 알고리즘을 사용했다. 이산화 방법에는 압력은 Second Order Scheme을 사용하고 momentum, turbulent kinetic energy, turbulent dissipation rate 그리고 energy는 Second Order Upwind Difference Scheme을 사용했다.

성능/효과

1. 공기의 유입 속도가 빠를수록 완전 발달 영역에 늦게 도달하고, 느릴수록 빨리 도달했으며 이는 물리적으로 타당한 결과이다.
2. 입구 영역에서는 공기가 축방향으로 유입되기 때문에 축방향의 속도성분이 크지만 출구로 갈수록 축 방향의 속도성분이 줄어든 만큼 접선방향의 속도 성분이 커진다.
3. 리브에 의해 생긴 골 근처의 공기는 벽면과의 접촉면적이 크고 속도가 느려서 온도가 테스트 튜브의 중심보다 높다.
4. Reynolds 수가 낮을수록 X/D의 증가에 따른 무차원 온도분포가 넓게 나타나고 Reynolds 수가 클수록 무차원 온도분포의 폭은 좁아진다. 그리고 Reynolds 수와는 상관없이 그래프는 좌우가 대칭이다.
Seol[2] 등은 흡수식 냉 난방기의 전열관 개발에 관한 논문에서 내면가공 핀-튜브의 경우 평활관보다 용액의 유량에는 차이가 조금 있지만 열전달은 10~30%, 물질 전달은 약 10~20% 정도 향상된 성능을 낸다는 것을 확인했다. 그리고 관내의 냉각수 유속만 증대할 경우 전열관의 부식이나 냉각수 펌프가 커지는 문제를 동반할 수 있기 때문에 냉각수 유속은 제한될 수밖에 없음을 확인했다. Chang[3]은 수평 원통 투명 관에 선회 발생기를 이용해서 선회유동을 만들고, 잉크와 스모크를 이용해서 선회유동을 실험적으로 연구했다.

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