[국내논문]딤플과 돌출이 설치된 수평채널의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 수치해석적 연구 Numerical Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics in a Horizontal Channel with Dimple and Protrusion Arrays원문보기
열전달 향상을 위하여 이차유동을 발생시켜 열전달을 증가시키는 방법에는 여러 가지가 있다. 본 연구에서는 수평채널에 딤플과 돌출을 설치하여 각각의 깊이와 높이를 변화시켰을 때의 압력강하 및 열전달 특성을 수치해석을 통하여 연구하였다. 딤플과 돌출은 수평채널의 윗면과 아래면 에 설치되었으며, 깊이 및 높이를 0.125, 0.25, 0.25, 0.3, 0.375로 하였다. 딤플의 경우, 후면부에서 높은 Nusselt 수가 나타났고 깊이가 커질수록 평균 Nusselt 수가 감소하였다. 돌출의 경우, 전면부에서 높은 Nusselt 수가 나타났고 높이가 커질수록 Nusselt 수가 증가하였다. 딤플과 돌출 모두 유속이 증가함에 따라 열전달이 향상되는 경향을 보였지만 성능계수는 감소하였다. 성능계수는 유속이 낮은 영역에서 가장 크게 나타났다.
열전달 향상을 위하여 이차유동을 발생시켜 열전달을 증가시키는 방법에는 여러 가지가 있다. 본 연구에서는 수평채널에 딤플과 돌출을 설치하여 각각의 깊이와 높이를 변화시켰을 때의 압력강하 및 열전달 특성을 수치해석을 통하여 연구하였다. 딤플과 돌출은 수평채널의 윗면과 아래면 에 설치되었으며, 깊이 및 높이를 0.125, 0.25, 0.25, 0.3, 0.375로 하였다. 딤플의 경우, 후면부에서 높은 Nusselt 수가 나타났고 깊이가 커질수록 평균 Nusselt 수가 감소하였다. 돌출의 경우, 전면부에서 높은 Nusselt 수가 나타났고 높이가 커질수록 Nusselt 수가 증가하였다. 딤플과 돌출 모두 유속이 증가함에 따라 열전달이 향상되는 경향을 보였지만 성능계수는 감소하였다. 성능계수는 유속이 낮은 영역에서 가장 크게 나타났다.
In this study, numerical analyses were performed on pressure drop and heat transfer characteristics in a rectangular horizontal channel with dimple and protrusion arrays of different height. The dimples/protrusions were installed at both top and bottom walls of the rectangular channel. The dimple an...
In this study, numerical analyses were performed on pressure drop and heat transfer characteristics in a rectangular horizontal channel with dimple and protrusion arrays of different height. The dimples/protrusions were installed at both top and bottom walls of the rectangular channel. The dimple and protrusion depths are 0.125, 0.2, 0.25, 0.3, and 0.375 times diameter. In case of the dimple, the highest Nusselt number occurred at the rear side of the dimple, and the average Nusselt number tended to decrease slightly with increase of depth. In case of protrusion, on the other hand, the highest Nusselt number occurred at the front side of the protrusion, and the average Nusselt number was increased with the increase of height. In both dimple and protrusion, the average Nusselt number and pressure drop were increased with the increase of velocity. Performance factor was decreased with the increase of velocity, and it was found that the best performance factor was obtained in the low velocity region.
In this study, numerical analyses were performed on pressure drop and heat transfer characteristics in a rectangular horizontal channel with dimple and protrusion arrays of different height. The dimples/protrusions were installed at both top and bottom walls of the rectangular channel. The dimple and protrusion depths are 0.125, 0.2, 0.25, 0.3, and 0.375 times diameter. In case of the dimple, the highest Nusselt number occurred at the rear side of the dimple, and the average Nusselt number tended to decrease slightly with increase of depth. In case of protrusion, on the other hand, the highest Nusselt number occurred at the front side of the protrusion, and the average Nusselt number was increased with the increase of height. In both dimple and protrusion, the average Nusselt number and pressure drop were increased with the increase of velocity. Performance factor was decreased with the increase of velocity, and it was found that the best performance factor was obtained in the low velocity region.
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문제 정의
본 연구에서는 딤플과 돌출이 설치된 사각채널 내에서 딤플과 돌출의 깊이 및 높이 변화에 따른 열전달계수 및 압력강하 특성을 상용 열유체해석 프로그램인 FLUENT[7]를 이용하여 속도를 변화시키며 수치해석하여 고찰하였다.
가설 설정
375배이다. 사각채널의 경우 입구와 출구를 제외한 모든 면이 벽으로 된 채널로 가정하였으며, 상하 두 평판에 딤플 혹은 돌출이 연속적으로 어긋나게 배열되어 있다.
제안 방법
FLUENT로 수치해석하며 난류모델 선택이 계산 결과에 미치는 영향을 알아보기 위해, k-ε 난류모델, k-ω 난류모델, 그리고 RNG 난류모델을 적용하여 계산결과를 비교해 보았다.
수치해석의 타당성을 입증하기 위하여 [6]의 실험장치와 동일한 조건을 도입하여 해석을 실행하여 실험과 수치해석 결과의 경향이 동일한지 판단하고, 다른 조건을 사용하여 수치해석을 수행하였다. Figure 2는 # 일 때 표면이 딤플, 돌출인 경우 [6]의 실험결과와 수치해석 결과 값을 비교한 것이다.
본 연구에서는 수치해석 결과를 타 연구자의 실험결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 확인하였으며, 사각채널에서 딤플/돌출의 깊이와 높이의 변화에 따른 열전달 및 압력강하 특성에 관한 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이론/모형
본 연구에서는 난류모델 중 하나로서 표준 k-ε 모델을 사용하였다.
표면에서 열전도에 의해 전달된 열에너지는 대류에 의해 자유유동에 전달된 열에너지와 평형을 이루어야 하며, 본 연구에서 열전달계수는 Newton의 냉각법칙에 의해 계산되었다. 열전달계수와 Nusselt 수 및 마찰인자(friction factor)는 다음과 같다.
성능/효과
그 결과 크게 차이가 나지 않았으며 k-ε 난류모델인 경우 타 연구자의 실험결과와 가장 잘 일치하여 k-ε 난류모델을 채택하였다.
그림에서 하첨자 d는 딤플, p는 돌출을 나타낸다. 유속이 커질수록 Reynolds 수가 증가하면서 딤플/돌출 모두 열전달 효과가 좋아지는 것을 알 수 있다. 돌출의 경우 높이가 커질수록 Nusselt 수가 증가하는 경향을 보이지만, 딤플의 경우는 깊어질수록 Nusselt 수가 다소 감소하는 것을알 수 있다.
유속이 커질수록 Reynolds 수가 증가하면서 딤플/돌출 모두 열전달 효과가 좋아지는 것을 알 수 있다. 돌출의 경우 높이가 커질수록 Nusselt 수가 증가하는 경향을 보이지만, 딤플의 경우는 깊어질수록 Nusselt 수가 다소 감소하는 것을알 수 있다. 이것은 Figure 5를 보면 알 수 있듯이 딤플의 깊이가 커질수록 주유동이 딤플 후면에 부딪히며 주유동이 딤플 내부에 미치는 영향이 적어진다.
이것은 매끈한 채널에 비하여 딤플/돌출에서 열교환량의 증가 비율이 유속이 증가함에 따라 적어지기 때문이다. Hp/D=0.375에서 가장 높은 열전달 계수가 나타났으며 매끈한 채널에 비해 3.5배 열전달이 향상되는 결과를 얻었다.
Figure 4(c)는 유속에 따른 딤플/돌출의 마찰인자를 나타낸 것 이다. 딤플/돌출모두에서 깊이나 높이가 증가할수록 마찰인자는 증가하였다. 딤플보다 돌출에서 높은 마찰인자가 나타났으며, 이것은 돌출의 경우 딤플에서보다 채널내에서 상당 부분을 차지하게 되므로 상대적으로 높은 유동저항이 발생하여 높은 압력 손실을 유발하기 때문이다.
375인 경우에 다른 경우보다 유동공간이 크게 줄어들어 현저한 압력강하를 보이며 가장 높은 마찰인자를 나타내었다. 유속의 증가량에 비해서 압력강하의 증가비율이 작아지면서 유속의 증가에 따라 마찰인자가 감소하는 경향을 나타내었다.
Figure 6은 유속의 변화에 따른 압력손실과 열전달향상을 동시에 고려한 성능계수를 나타낸다. 돌출에 비해 딤플이 높은 성능계수를 나타내었으며, 이는 돌출의 경우 높은 열전달 향상을 가져오지만 높은 압력손실을 수반하기 때문에 딤플에서 더 높은 성능계수를 나타내었다. 딤플의 경우 Hd/D=0.
(2) 돌출의 경우 높이가 커질수록 열전달 성능이 증가하는 경향을 보였지만, 딤플의 경우는 깊이가 깊어질수록 열전달 성능이 다소 감소하였다.
(3) 딤플/돌출 모두에서 깊이나 높이가 증가할수록 마찰인자는 증가하였으며, 딤플보다 돌출에서 높은 마찰인자가 나타났다.
(4) 유속의 증가에 따라 딤플/돌출 모두 열전달계수가 증가하였으나 압력손실이 증가하면서 성능계수는 줄어들었으며 낮은 유속에서 가장 좋은 성능계수가 나타났다. 전반적으로 깊이가 작은 딤플이 가장 좋은 성능계수를 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
딤플의 특징은 무엇인가?
열전달을 향상시키기 위하여 다양한 형태의 설계와 함께 이차유동을 발생시켜 열전달을 증가시키는 방법들이 많이 연구되어 왔다. 이차유동을 통해 열 전달을 증진시키는 방법 중에는 리브(rib), 핀(pin), 딤플(dimple), 델타 윙(delta wing)등이 사용되는데, 특히 딤플의 경우 복잡한 이차유동을 발생시켜 열 전달을 증가시키면서 상대적으로 낮은 압력손실을 나타내는 것으로 알려져 있다. 딤플의 이러한 특성으로 인하여 최근 많은 열전달 특성에 대한 연구가 수행되고 있다.
이차유동을 통해 열 전달을 증진시키는 방법에는 무엇이 사용되는가?
열전달을 향상시키기 위하여 다양한 형태의 설계와 함께 이차유동을 발생시켜 열전달을 증가시키는 방법들이 많이 연구되어 왔다. 이차유동을 통해 열 전달을 증진시키는 방법 중에는 리브(rib), 핀(pin), 딤플(dimple), 델타 윙(delta wing)등이 사용되는데, 특히 딤플의 경우 복잡한 이차유동을 발생시켜 열 전달을 증가시키면서 상대적으로 낮은 압력손실을 나타내는 것으로 알려져 있다. 딤플의 이러한 특성으로 인하여 최근 많은 열전달 특성에 대한 연구가 수행되고 있다.
참고문헌 (7)
P. M. Ligrani, M. M. Oliveira and T. Blaskovich, "Comparison of heat transfer augmentation techniques", AIAA Journal, vol. 41, no. 3, pp. 7-62, 2003.
P. M. Ligrani, N. K. Burgess and S. Y. Won, "Nusselt numbers and flow structure on and above a shallow dimpled surface within a channel including effects of inlet turbulence intensity level", Journal of Turbomachinery, vol. 127, pp. 321-330, 2005.
M. K. Chyu, Y. Yu, H. Ding, J. P. Downs and F. O. Soechting, "Concavity enhanced heat transfer in an internal cooling passage", ASME paper, 97-GT-437, 1997.
H. K. Moon, T. O'Connell and R. Sharma, "Heat transfer enhancement using a convex-patterned surface", Journal of Turbomachinery, vol. 127, pp. 274-280, 2003.
W. V. Patrick and D. K. Tafti, "Computations of flow structure and heat transfer in a dimpled channel at low to moderate Reynolds number", ASME, Paper, No. HT-FED04-56171, 2004.
S. D. Hwang, H. G. Kwon and H. H. Cho, "Heat transfer with dimple/protrusion arrays in a rectangular duct with a low Reynolds number range", International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 29, pp. 916-926, 2008.
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