[논문]핀-휜 구조물을 삽입한 채널의 열전달 특성과 압력강하에 관한 수치해석

허주녕; 김지훈; 손영석; 신지영

doi:10.5916/jkosme.2011.35.2.224

핀-휜 구조물을 삽입한 채널의 열전달 특성과 압력강하에 관한 수치해석
Numerical Analysis on the Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of a Channel with Pin-fin Structure 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.2, 2011년, pp.224 - 231

허주녕 (동의대학교 대학원) , 김지훈 (동의대학교 대학원) , 손영석 (동의대학교 기계공학과) , 신지영 (동의대학교 기계공학과)

초록
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핀-휜 구조물이 삽입된 채널은 열전달이 향상되는 것으로 알려져 있다. 복잡한 핀-휜 구조물은 다공성 매체로 모사할 수 있을 만큼 매우 불규칙적인 유동을 보여준다. 본 연구는 수치해석을 통하여 핀-휜 구조물이 삽입된 채널의 열전달과 압력강하의 특성을 분석하였다. 유효유동공간비가 높고 직경이 큰 경우 실험데이터를 잘 예측 하였지만, 유효유동공간비가 낮은 경우 비교적 오차가 큰 편이었다. 유효유동 공간비가 낮을수록 유동교란이 강해져서 열전달이 증가하지만 압력강하도 증가하여 팬의 동력이 증가하기 때문에 최적점을 찾아서 설계하여야 한다. 본 연구에서는 전면유속이 5m/s 일 때, D25 모델에서는 유효유동공간비가 0.5인 지점에서, D05 모델에서는 0.9에서 압력강하가 급격하게 늘어나기 때문에 이보다 더 작은 유효유동공간비에서의 작동은 바람직하지 않다.

Abstract ▼ AI-Helper

Heating and/or cooling of the channel with pin-fin structure is a promising choice for the efficient heat transfer. Complex pin-fin structure shows highly irregular behavior like porous media. This study shows the numerical analysis on the characteristic of heat transfer and pressure drop of a channel with pin-fin structure. It predicts the experimental data quite well at the high porosity region with large diameter. Low porosity activates the rigorous flow disturbance and, consequently, the enhanced heat transfer. However, the concept of optimum design should be carefully reviewed because the pressure drop is also increased with decreasing porosity at low porosity region.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 연구에서는 실험을 통하여 열전달과 압력강 하의 특성을 보여줬으나 실험적인 오차가 존재하고 여러 가지 변수가 있는 만큼 다양한 경우에 대하여 실험을 진행하기 위해서는 많은 시간 및 자원의 투입이 필요하다. 따라서 기존 실험에서 밝혀진 현상을 수치해석을 통하여 검증하고 기존의 상관식과 비교함으로써 수치해석의 활용 가능성을 밝히고자 한다. 본 연구에서는 열/유체 수치해석 상용 프로그램인 FLUENT를 이용하여 휜의 직경과 피치가 변화할 때, 유속의 변화에 따른 열전달과 압력 강하의 특성을 살펴보고 기존 데이터와 비교를 해 보았다.
본 연구에서는 수치해석을 통하여 핀-휜 구조물을 삽입한 채널에서의 휜 직경과 피치의 변화에 따른 열전달과 압력강하에 대한 특성을 살펴보았다.
따라서 기존 실험에서 밝혀진 현상을 수치해석을 통하여 검증하고 기존의 상관식과 비교함으로써 수치해석의 활용 가능성을 밝히고자 한다. 본 연구에서는 열/유체 수치해석 상용 프로그램인 FLUENT를 이용하여 휜의 직경과 피치가 변화할 때, 유속의 변화에 따른 열전달과 압력 강하의 특성을 살펴보고 기존 데이터와 비교를 해 보았다.

가설 설정

본 연구에서는 k- ε standard 난류모델을 적용하였고, 유체는 외력의 영향을 받지 않으며 정상상태의 완전발달로 가정하여 수치해석을 실행하였다.

제안 방법

핀휜을 부착한 기판은 구리(k=401 W/m²K)로 하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 휜의 직경과 피치를 달리하여 모델링을 하였으며, 모든 경우 종방향과 횡방향의 피치가 같은 직교형(in-line type) 배열로 하였다. 휜을 부착하기 위한 기판은 300☓200 mm인 구리판이고, 가열량은 100 W 로 일정하다.
결과의 분석을 위하여 유효유동공간비를 정의하였다. 핀-휜을 삽입한 채널을 다공성 매질로 생각하면, 유효유동공간비(ε)를 식 (1)로 정의할 수 있다.

대상 데이터

유동에 수직한 시험 부 단면 적은 200 × 10 mm 로 폭과 높이의 비(W/H)는 20이다. 시험부의 전체길이는 690 mm 이다. 핀휜을 부착한 기판은 구리(k=401 W/m²K)로 하였다.
핀휜을 부착한 기판은 구리(k=401 W/m²K)로 하였다.

데이터처리

핀-휜이 채널 내의 대류 열전달에 미치는 영향을 평가하기 위해서 평균 Nusselt 수를 구하였다. 평균 열전달계수와 평균 Nusselt 수는 식 (2), 식 (3), 식 (4)으로 표현된다.

성능/효과

(1) 수치해석에 의한 열전달 및 압력강하의 계산 결과가 기존의 실험결과를 비교적 잘 예측할 수 있었다.
(2) 기존의 실험결과와 수치해석의 결과를 비교 하면, 유효유동공간비가 큰 영역에서는 수치해석 결과가 실험결과보다 작게 나타났지만, 유효유동공간비가 작은 영역에서는 오히려 수치해석 결과가 실험결과보다 크게 나타났다. 다공성매질 효과로 인해 나타나는 유체에서의 열적분산효과와 매질에서의 미세한 열전달을 수치해석에서 보다 효과적으로 고려하는 방법을 찾아야 할 것으로 보인다.
(3) 압력강하 특성의 경우 유효유동공간비가 큰 영역보다 작은 영역에서의 수치해석 결과가 실험결과에 매우 근접하였으며, 휜의 배열과 속도가 증가할수록 압력강하는 증가한다. 핀-휜 시스템을 설계할 때 압력강하와 열전달계수 증가를 동시에 고려해야하며, 수치해석이 효과적으로 이용될 수 있음을 확인하였다.
또한 유속이 증가하여도 압력강하가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 유효유동공간비가 큰 영역보다는 작은 영역에서 수치해석 결과가 실험결과를 매우 잘 예측을 하는 것을 볼 수가 있다. 하지만 유효유동공간비가 낮은 영역에서는 주 유동 공간이 매우 좁고 복잡하기 때문에 수치해석에서 열전달 향상효과를 과도하게 계산하여 상대적으로 실험결과와 수치해석결과의 차이가 많이 나는 것으로 보인다.
[1]은 식 (5)를 통하여 유속이 증가할수록 채널 입구에서의 동압이 증가하게 됨을 실험을 통하여 증명하였다. 또한 유효유동공간비에 따라 압력강하가 변화한다는 것을 보여주었다.
각각 유체의 전면유속 (Vin)을 3 m/s, 5 m/s로 하였을 때, 유효유동공간비에 따라 Nusselt 수를 나타내었고, y-축에 나타낸 Nu_Analysis는 상용 수치해석 프로그램 FLUENT을 이용하여 계산한 값이며, x-축 에 나타낸 Nu_Exp는 동일한 조건에서 제시한 실험데이터로부터 계산된 Nusselt 수이다. 실험 결과가 전력계의 오차, 열전대의 고정점 오차, 반복 측정에 의한 랜덤오차, 데이터 획득 장치의 온도 변환오차가 있는 것을 감안하면 수치해석 결과와 실험결과가 RMS 17.3% 범위 내에서 상대적으로 잘 예측하고 있음을 확인 할 수 있다.
Figure 4은 각각 유체의 전면유속을 3 m/s, 5 m/s로 일 때 각각 유효유동공간비에 따라 Nusselt 수를 나타내었을 때, 실험결과[1]와 비교하여 나타낸 것이다. 유효유동공간비가 커질수록 Nusselt 수는 감소하였으며, 유속이 증가할수록 Nusselt 수는 증가하였다. 대체적으로 실험결과와 일치하며, 유효유동공간비가 낮을 때보다 유효유동 공간비가 높을 때 실험결과를 더 잘 예측하는 것으로 판단된다.
Figure 6은 같은 유효유동공간비 일 때 속도의 변화에 따른 열전달 특성의 변화를 나타낸 것이다. 전면 유속이 증가할수록 Nusselt 수는 증가하였으며, 같은 유속이더라도 직경이 작을수록 Nusselt 수는 증가하였다. 이는 앞서 살펴본 바와 같이 직경이 작을수록 피치가 좁기 때문에 유동 교란이 심하기 때문인 것으로 판단된다.
(3) 압력강하 특성의 경우 유효유동공간비가 큰 영역보다 작은 영역에서의 수치해석 결과가 실험결과에 매우 근접하였으며, 휜의 배열과 속도가 증가할수록 압력강하는 증가한다. 핀-휜 시스템을 설계할 때 압력강하와 열전달계수 증가를 동시에 고려해야하며, 수치해석이 효과적으로 이용될 수 있음을 확인하였다.
[1]은 핀-휜이 조밀하게 배치되었을 경우 아주 큰 부피 대 표면적 비를 갖고 유동이 매우 복잡하기 때문에 다공성매질과 유사한 열전달 증가 효과를 얻을 수 있다는 점에 착안하여 연구를 수행한바 있다. 휜 직경이 동일한 경우 열전달 효과는 유속이 증가할수록, 휜 사이의 피치가 감소할수록 증가하며, 피치가 동일한 경우 휜 직경이 커질수록 유효유동공간비가 감소하여 유체의 유동공간가 좁아져 열전달이 증가하고, 유효유동공간비가 동일한 경우 휜 직경이 감소할수록 열전달이 증가하는 결과를 실험을 통해서 밝혔다.

후속연구

(2) 기존의 실험결과와 수치해석의 결과를 비교 하면, 유효유동공간비가 큰 영역에서는 수치해석 결과가 실험결과보다 작게 나타났지만, 유효유동공간비가 작은 영역에서는 오히려 수치해석 결과가 실험결과보다 크게 나타났다. 다공성매질 효과로 인해 나타나는 유체에서의 열적분산효과와 매질에서의 미세한 열전달을 수치해석에서 보다 효과적으로 고려하는 방법을 찾아야 할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핀-휜 구조물을 삽입한 채널에서의 휜 직경과 피치의 변화에 따른 열전달과 압력강하에 대한 특성을 수치해석을 통하여 살펴본 결론은?	(1) 수치해석에 의한 열전달 및 압력강하의 계산 결과가 기존의 실험결과를 비교적 잘 예측할 수 있었다. (2) 기존의 실험결과와 수치해석의 결과를 비교 하면, 유효유동공간비가 큰 영역에서는 수치해석 결과가 실험결과보다 작게 나타났지만, 유효유동공간비가 작은 영역에서는 오히려 수치해석 결과가 실험결과보다 크게 나타났다. 다공성매질 효과로 인해 나타나는 유체에서의 열적분산효과와 매질에서의 미세한 열전달을 수치해석에서 보다 효과적으로 고려하는 방법을 찾아야 할 것으로 보인다. (3) 압력강하 특성의 경우 유효유동공간비가 큰 영역보다 작은 영역에서의 수치해석 결과가 실험결과에 매우 근접하였으며, 휜의 배열과 속도가 증가할수록 압력강하는 증가한다. 핀-휜 시스템을 설계할 때 압력강하와 열전달계수 증가를 동시에 고려해야하며, 수치해석이 효과적으로 이용될 수 있음을 확인하였다.
	유효유동공간비는 어떻게 표현되는가?	유효유동공간비는 식에서 알 수 있듯이 피치에 대한 휜 직경의 비로 표현된다. 휜 직경이 같을 경우 피치가 증가할수록 유효유동공간비가 커지고, 피치가 같을 경우 휜 직경이 증가할수록 유효유동 공간비가 감소한다.
	핀-휜 구조물이 가지는 문제점은?	전도와 대류를 이용하는 냉각방식의 하나인 채널 내에 핀(Pin)-휜(Fin)을 삽입하는 방식은 열전달 성능이 우수하다고 알려져 있다. 그러나 핀-휜 구조물은 구조가 매우 복잡하여 내부의 유동 및 열전달 현상을 해석하기가 매우 힘들기 때문에 신뢰도가 높은 수치해석 결과를 기대하기가 힘든 형편이고, 실험에 의한 결과를 이론적으로 보완할 수 있는 자료도 매우 부족한 실정이다. 이런 이유로 인해 핀-휜 구조물을 다공성매질(porous media)로 모사하여 해석하려는 시도가 이루어지고 있다[7-8].

참고문헌 (14)

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손영석, 신지영, 조영일, "다공성매질을 삽입한 수평채널의 열전달 및 압력강하 특성", 한국마린엔지니어링학회지, 제33권, 제2호, pp. 244-251, 2009.

원문보기 상세보기
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상세보기
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상세보기
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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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