본 연구에서는 나선형 튜브내의 난류 열전달 및 하중 특성을 수치해석 방법을 이용하여 파악하였다. 열교환기와 같은 공학적 설비에서 관내 열전달을 향상시키기 위해 튜브의 형상을 나선형으로 설계한다. 이에 나선형 튜브내의 열전달 및 난류 특성에 대한 많은 실험적 연구가 이루어 졌으나, 대부분의 연구가 압력 강하 및 열전달 상관관계에 초점이 맞추어 진행되었다. 나선형 튜브내의 유동은 원심력에 의해 튜브 바깥쪽에서는 상대적으로 높은 열전달 및 전단응력이 발생하지만, 안쪽에서는 낮은 열전달 및 전단응력이 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 튜브의 원주방향으로 발생하는 전단 응력 및 Nusselt 수의 변화를 Reynolds 수와 나선 코일의 지름을 변경하며 정량적으로 살펴보았다. 나선 코일 안쪽에서 국부적인 전단응력과 열전달율이 크게 낮게 특정되었으며, 이는 튜브 재질의 안정성에 영향을 미칠 것으로 판단되었다. 또한 본 연구에서는 마찰계수와 Nusselt 수에 대한 기존 상관관계식을 검증하였으며, 직관에서의 마찰계수와 Nusselt 수의 상관관계식이 나선형 튜브의 형상에도 적용될 수 있음을 관측하였다. 본 연구의 결과는 열교환기나 증기발생기의 안전성 평가를 위해 중요한 데이터로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 나선형 튜브내의 난류 열전달 및 하중 특성을 수치해석 방법을 이용하여 파악하였다. 열교환기와 같은 공학적 설비에서 관내 열전달을 향상시키기 위해 튜브의 형상을 나선형으로 설계한다. 이에 나선형 튜브내의 열전달 및 난류 특성에 대한 많은 실험적 연구가 이루어 졌으나, 대부분의 연구가 압력 강하 및 열전달 상관관계에 초점이 맞추어 진행되었다. 나선형 튜브내의 유동은 원심력에 의해 튜브 바깥쪽에서는 상대적으로 높은 열전달 및 전단응력이 발생하지만, 안쪽에서는 낮은 열전달 및 전단응력이 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 튜브의 원주방향으로 발생하는 전단 응력 및 Nusselt 수의 변화를 Reynolds 수와 나선 코일의 지름을 변경하며 정량적으로 살펴보았다. 나선 코일 안쪽에서 국부적인 전단응력과 열전달율이 크게 낮게 특정되었으며, 이는 튜브 재질의 안정성에 영향을 미칠 것으로 판단되었다. 또한 본 연구에서는 마찰계수와 Nusselt 수에 대한 기존 상관관계식을 검증하였으며, 직관에서의 마찰계수와 Nusselt 수의 상관관계식이 나선형 튜브의 형상에도 적용될 수 있음을 관측하였다. 본 연구의 결과는 열교환기나 증기발생기의 안전성 평가를 위해 중요한 데이터로 활용될 수 있을 것이다.
In this study, turbulent flow and heat transfer characteristics in a helically coiled tube have been numerically investigated. Helically coiled tubes are commonly used in heat exchange systems to enhance the heat transfer rate. Accordingly, they have been widely studied experimentally; however, most...
In this study, turbulent flow and heat transfer characteristics in a helically coiled tube have been numerically investigated. Helically coiled tubes are commonly used in heat exchange systems to enhance the heat transfer rate. Accordingly, they have been widely studied experimentally; however, most studies have focused on the pressure drop and heat transfer correlations. The centrifugal force caused by a helical tube increases the wall shear stress and heat transfer rate on the outer side of the helical tube while decreasing those on the inner side of the tube. Therefore, this study quantitatively shows the variation of the local Nusselt number and friction factor along the circumference at the wall of a helical tube by varying the coil diameter and Reynolds number. It is seen that the local heat transfer rate and wall shear stress greatly decrease near the inner side of the tube, which can affect the safety of the tube materials. Moreover, this study verifies the previous experimental correlations for the friction factor and Nusselt number, and it shows that the correlation between the two in a straight tube can be applied to a helical tube. It is expected that the results of this study can be used as important data for the safety evaluation of heat exchangers and steam generators.
In this study, turbulent flow and heat transfer characteristics in a helically coiled tube have been numerically investigated. Helically coiled tubes are commonly used in heat exchange systems to enhance the heat transfer rate. Accordingly, they have been widely studied experimentally; however, most studies have focused on the pressure drop and heat transfer correlations. The centrifugal force caused by a helical tube increases the wall shear stress and heat transfer rate on the outer side of the helical tube while decreasing those on the inner side of the tube. Therefore, this study quantitatively shows the variation of the local Nusselt number and friction factor along the circumference at the wall of a helical tube by varying the coil diameter and Reynolds number. It is seen that the local heat transfer rate and wall shear stress greatly decrease near the inner side of the tube, which can affect the safety of the tube materials. Moreover, this study verifies the previous experimental correlations for the friction factor and Nusselt number, and it shows that the correlation between the two in a straight tube can be applied to a helical tube. It is expected that the results of this study can be used as important data for the safety evaluation of heat exchangers and steam generators.
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문제 정의
본 연구에서는 10000, 25000, 50000, 100000의 Re수에서 나선의 곡률비(d/D)를 0.08333, 0.04167, 0.02078, 0.00925로 변경하며 관내 원심력의 영향이 열전달에 미치는 효과를 살펴보았다. 튜브의 축방향 길이(L)는 유동이 완전 발달되는 영역을 고려하여 L/d=150을 사용하였으며, 사용된 유체의 Prandtl 수는 0.
본 연구에서는 SMART 의 일체형 원자로에 사용되는 관류형 증기발생기의 안전성 평가를 위해 튜브 안쪽에서 발생하는 국부적인 열전달 감소 효과와 튜브 바깥쪽에서의 열전달 증가 효과를 정량적으로 파악하였다.
나선형 튜브에서 2차 유동과 열전달 특성에 영향을 미치는 인자는 여러 가지가 있지만 본 연구와 같이 유체의 물성치가 일정하다고 가정한 경우, Reynolds 수, 나선 피치, 나선 곡률비가 될 것이다. 이에 본 연구에서는 나선 피치(p)를 p/d=1.667로 고정하고, Re 와 d/D의 변화에 따른 열전달 및 유동 특성을 살펴보았다.
일체형 원자로의 증기발생기와 같이 엄격한 안전 기준이 적용되어야 하는 공학적 설계에서 국부적인 영역에서의 열전달 특성 및 하중은 안전성 평가에서 매우 중요한 요소이다. 이에 본 연구에서는 나선형 튜브내의 난류 열전달 특성에 대하여 Re 수와 코일의 반경비(d/D)가 튜브의 국부적인 난류 열전달 특성에 미치는 영향을 상용전산유체코드인 ANSYS-CFX-13(13)을 이용하여 살펴보았다. 특히 튜브의 원주방향으로 발생하는 전단응력과 열전달 계수의 변화를 관측하였으며, 이는 튜브내의 마모도 및 원자로 증기발생기 전열관의 건정성 평가에 중요한 자료가 될 것이다.
가설 설정
2는 본 연구에서 사용된 나선형 튜브의 형상을 보여준다. 나선형 튜브에서 2차 유동과 열전달 특성에 영향을 미치는 인자는 여러 가지가 있지만 본 연구와 같이 유체의 물성치가 일정하다고 가정한 경우, Reynolds 수, 나선 피치, 나선 곡률비가 될 것이다. 이에 본 연구에서는 나선 피치(p)를 p/d=1.
제안 방법
8은 기존 실험적 연구를 통한 상관관계식과 본 연구에서의 평균 Nusselt 수를 비교하였다. 각각의 나선 곡률비에서 Re 수의 변화에 따라 완전 발달한 영역에서 튜브 원주방향으로 평균된 Nu 수(Nusselt number)의 변화를 나타내었다. 여기서 Nu 수는 다음과 같이 정의 된다.
난류 모델을 검증하기 위하여, CFX에서 제공하는 난류 모델들을 나선 피치가 0이고, 곡률비가 d/D=0.1인 환형관(toroidal pipe)에서 적용하고, 원심력이 난류 모델이 미치는 영향을 DNS결과(8,9)와 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 RANS기법을 이용하여 나선형 튜브내의 난류 열전달 특성을 나선 곡률비(d/D)와 Re의 변화에 따라 살펴보았다. 튜브의 곡률에 의해 발생하는 원심력은 유체의 운동을 증가시키기 때문에 유동의 마찰저항 및 열전달율을 증가시키게 된다.
본 연구에서는 범용 전산해석 코드인 CFX(13)를 이용하여 위 지배방정식을 수치해석하였다. 경계 조건으로 입구에서는 균일한 입구 속도와 온도조건(T0)을 사용하였으며, 튜브 벽에서는 점착조건(no-slip condition)과 균일한 열유속(constant heat flux, qw)을 사용하였다.
나선형 튜브의 경우, 곡률에 의한 원심력이 난류 특성에 크게 영향을 미치게 된다. 이에 따라 Spalart and Shur(16)는 two-equation계열의 난류 모델에서 유동 형상에서 곡률과 유동 회전이 난류 모델에 미치는 영향을 난류 생성항(production term)의 수정을 통해 해결하고자 하였으며, 본 연구에서도 CFX에서 제공하는 Spalart and Shur(16)의 모델도 함께 비교하였다.
SST 모델에 Spalart and Shur (16)가 제시한 난류 모델 수정 (SST-CC)을 적용한 결과 소폭으로 DNS결과에 접근하는 양상을 볼 수 있었다. 이에 본 연구에서 SST-CC 모델을 적용하여 나선형 튜브내의 난류 열전달 특성을 살펴보았다.
이 이루어져왔다. 이에 본 연구에서는 기존 실험 결과와의 비교 검증을 위해 Fig. 4에서 마찰계수(Darcy friction factor)를 완전 발달한(fully developed) 영역에서 기존 실험 상관관계식들과 비교하였다.
대상 데이터
경계 조건으로 입구에서는 균일한 입구 속도와 온도조건(T0)을 사용하였으며, 튜브 벽에서는 점착조건(no-slip condition)과 균일한 열유속(constant heat flux, qw)을 사용하였다. 수치해석을 위한 격자는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 육면체의 정렬격자계(structured grid)를 사용하였으며, 사용된 격자수는 튜브의 단면에서 6555개의 cell로 격자를 구성하였으며, 유동방향으로 320개의 격자를 사용하여 총 2,097,600개의 격자가 사용되었다. 벽 근처 영역에서는 저 레이놀즈수 모델(Low- Reynolds-Number Model)을 적용하기 위하여 벽에서 가까운 첫 번째 격자점에서의 △r+ 값을 2.
데이터처리
이에 단상 및 2상 유동에서 실험을 통한 열전달 상관관계식에 대한 많은 연구가 수행된바 있다.(6) Fig. 8은 기존 실험적 연구를 통한 상관관계식과 본 연구에서의 평균 Nusselt 수를 비교하였다. 각각의 나선 곡률비에서 Re 수의 변화에 따라 완전 발달한 영역에서 튜브 원주방향으로 평균된 Nu 수(Nusselt number)의 변화를 나타내었다.
이론/모형
1에 나타낸 바와 같이 육면체의 정렬격자계(structured grid)를 사용하였으며, 사용된 격자수는 튜브의 단면에서 6555개의 cell로 격자를 구성하였으며, 유동방향으로 320개의 격자를 사용하여 총 2,097,600개의 격자가 사용되었다. 벽 근처 영역에서는 저 레이놀즈수 모델(Low- Reynolds-Number Model)을 적용하기 위하여 벽에서 가까운 첫 번째 격자점에서의 △r+ 값을 2.0이하로 하였다.
성능/효과
SST 모델과 RSM-ω모델의 경우, 속도 분포가 DNS 계산와 유사한 결과를 보이고 있음을 볼 수 있다. SST 모델에 Spalart and Shur (16)가 제시한 난류 모델 수정 (SST-CC)을 적용한 결과 소폭으로 DNS결과에 접근하는 양상을 볼 수 있었다. 이에 본 연구에서 SST-CC 모델을 적용하여 나선형 튜브내의 난류 열전달 특성을 살펴보았다.
본 연구에서는 SMART 의 일체형 원자로에 사용되는 관류형 증기발생기의 안전성 평가를 위해 튜브 안쪽에서 발생하는 국부적인 열전달 감소 효과와 튜브 바깥쪽에서의 열전달 증가 효과를 정량적으로 파악하였다. 또한 직관의 난류 유동에서 마찰계수와 열전달계수와의 유사성에 대한 상관관계식이 나선형 튜브에도 적용될 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서의 결과는 열교환기, 증기발생기와 같은 공학적 설비의 안전성 평가와 원자력 안전해석에 사용되는 계통코드의 모델 개발에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.
후속연구
특히 튜브의 원주방향으로 발생하는 전단응력과 열전달 계수의 변화를 관측하였으며, 이는 튜브내의 마모도 및 원자로 증기발생기 전열관의 건정성 평가에 중요한 자료가 될 것이다. 또한 본 연구의 결과는 현재 원자력 안전해석에 사용되는 1차원 계통 해석 코드(Relap, MARS 등)의 해석 모델에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.
또한 직관의 난류 유동에서 마찰계수와 열전달계수와의 유사성에 대한 상관관계식이 나선형 튜브에도 적용될 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서의 결과는 열교환기, 증기발생기와 같은 공학적 설비의 안전성 평가와 원자력 안전해석에 사용되는 계통코드의 모델 개발에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.
이에 본 연구에서는 나선형 튜브내의 난류 열전달 특성에 대하여 Re 수와 코일의 반경비(d/D)가 튜브의 국부적인 난류 열전달 특성에 미치는 영향을 상용전산유체코드인 ANSYS-CFX-13(13)을 이용하여 살펴보았다. 특히 튜브의 원주방향으로 발생하는 전단응력과 열전달 계수의 변화를 관측하였으며, 이는 튜브내의 마모도 및 원자로 증기발생기 전열관의 건정성 평가에 중요한 자료가 될 것이다. 또한 본 연구의 결과는 현재 원자력 안전해석에 사용되는 1차원 계통 해석 코드(Relap, MARS 등)의 해석 모델에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내부 유동에서의 열전달을 향상시키기 위해 원형튜브에선 어떻게 하는가?
열교환기와 같은 공학적 설비에서 흔히 사용되는 원형 튜브의 경우, 내부 유동에서의 열전달을 향상 시키기 위해 열전달 단면적을 증가시키거나, 유동 교란을 발생시켜 난류 유동에 의한 열전달 증가 효과를 이용하게 된다. 이 외에 튜브의 열전달 증가를 위해 사용되는 방법으로 튜브의 형상을 나선형으로 설계하여 나선형 튜브를 따라 나선 회전 운동 하는 유체에 작용하는 원심력을 이용하는 방법이 있다.
나선형 튜브서 2차 유동은 어떤 특성이 있는가?
나선형 튜브에서 원심력에 의해 생성되는 2차 유동은 튜브 바깥쪽 벽부분의 주유동 속도를 증가시키고, 관 안쪽의 주유동 속도를 감소시키며, 관내 마찰계수를 증가시키게 된다. 이러한 특성 때문에 지금까지 압력강하와 마찰계수의 변화에 대한 실험적 연구(1~5)가 많이 이루어져 왔으며, 이와 관련된 많은 상관관계식이 여러 유동조건에서 제시되어 왔다.
RANS기법으로 살펴본 결과, 튜브 곡률에 의해 발생하는 원심력이 왜 튜브재질 안전성에 영향을 미치게 하는가?
본 연구에서는 RANS기법을 이용하여 나선형 튜브내의 난류 열전달 특성을 나선 곡률비(d/D)와 Re의 변화에 따라 살펴보았다. 튜브의 곡률에 의해 발생하는 원심력은 유체의 운동을 증가시키기 때문에 유동의 마찰저항 및 열전달율을 증가시키게 된다. 그러나 튜브 안쪽에서는 국부적으로 열전달율과 벽 전단응력이 크게 감소하게 되고, 바깥쪽으로는 열전달율과 벽 전단응력이 증가하게 되면서 원주방향으로 벽 온도와 전단응력이 크게 변하게 된다. 이는 곧 튜브 재질의 안전성에 영향을 미치게 될 것이다. 본 연구에서는 SMART 의 일체형 원자로에 사용되는 관류형 증기발생기의 안전성 평가를 위해 튜브 안쪽에서 발생하는 국부적인 열전달 감소 효과와 튜브 바깥쪽에서의 열전달 증가 효과를 정량적으로 파악하였다.
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