[논문]주기적으로 배열된 원형 실린더를 이용한 채널 유동의 열전달 증진

정태경; 양경수; 이경준; 강창우

doi:10.6112/kscfe.2013.18.2.085

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we consider heat transfer enhancement in laminar channel flow by means of an infinite streamwise array of equispaced identical circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex gene...

In this study, we consider heat transfer enhancement in laminar channel flow by means of an infinite streamwise array of equispaced identical circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex generators. A numerical parametric study has been carried out by varying Reynolds number based on the bulk mean velocity and the cylinder diameter, and the gap between the cylinders and the channel wall. An immersed boundary method was employed to facilitate to implement the cylinders on a Cartesian grid system. No-slip condition is employed at all solid boundaries including the cylinders, and the flow is assumed to be periodic in the streamwise direction. Also, the Prandtl number is fixed as 0.7. For thermal boundary conditions on the solid surfaces, it is assumed that heat flux is constant on the channel walls, while the cylinder surfaces remain adiabatic. The presence of the circular cylinders arranged periodically in the streamwise direction causes a significant topological change of the flow, leading to heat transfer enhancement on the channel walls. The Nusselt number averaged on the channel wall is presented for the wide ranges of Reynolds number and the gap. A significant heat transfer enhancement is noticed when the gap is larger than 0.8, while the opposite is the case for smaller gaps. More quantitative results as well as qualitative physical explanations are presented to justify the effectiveness of varying the gap to enhance heat transfer from the channel walls.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

[6]은 채널 내에 원형 실린더가 주기적으로 존재하는 경우에 실린더와 채널 벽과의 간격 변화가 유동 특성에 큰 변화를 가져오게 된다는 연구결과를 얻었다. 그의 후속연구로서, 본 연구에서는 원형 실린더와 채널 벽과의 간격 변화에 따라 실린더를 지나는 유동에서 발생하는 다양한 와류 특성을 파악하여 채널 벽면에서의 열전달 효율을 보다 강화 하는 방법을 강구하는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 마이크로 채널, 열교환기 등에서 평판 사이의 열전달 효율을 높이기 위해 흔히 사용되는 와류 생성기의 가장 단순한 모델로(Fig. 1), 채널 내 원형 실린더가 주기적으로 존재하는 경우, 실린더와 채널 벽과의 간격(G/d) 변화가 채널 벽면에서의 열전달 효율증진에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 채널형 열교환기에서 열교환 촉진체로 많이 사용되는 와류 생성기의 단순화된 모델로 채널 내 주기적으로 배열된 실린더를 지나는 유동에 의한 채널 벽에서의 열전달 연구를 수행하였다. 열교환기에서 효율적인 열전달을 위해서 본 연구에서는 실린더와 채널 벽 간격이 채널 벽에서의 열전달 변화에 미치는 영향에 대해 살펴보았다.
열교환기에서 효율적인 열전달을 위해서 본 연구에서는 실린더와 채널 벽 간격이 채널 벽에서의 열전달 변화에 미치는 영향에 대해 살펴보았다.

대상 데이터

사용된 격자수는 엄밀한 격자 검증을 통해 결정하였으며 x, y 방향으로 272×240의 격자계를 사용하였다.

이론/모형

여기서 Q는 채널 내 유량을 의미하며, 유량 Q를 고정시키기 위해 You et al.[11]의 방법이 사용되었다.
각 지배 방정식은 직교좌표계에서 유한체적법으로 차분되었고, 비균일 엇갈림격자계를 사용하였다. 시간 차분은 대류항에 대하여 3차 정확도의 Runge-Kutta 양해법(explicit)으로 적분하였고, 확산항은 Crank-Nicolson의 음해법(implicit)으로 적분을 수행하였다.
시간 차분은 대류항에 대하여 3차 정확도의 Runge-Kutta 양해법(explicit)으로 적분하였고, 확산항은 Crank-Nicolson의 음해법(implicit)으로 적분을 수행하였다. 또한 연속방정식과 운동량 방정식을 분리하기 위하여 Fraction Step 기법[11]이 사용되었다.
본 연구에서는 채널 내 원형 실린더를 구현하기 위해 가상경계법[9,10]을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 가상경계법이 적용된 2차원 비압축성 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식은 다음과 같다.
각 지배 방정식은 직교좌표계에서 유한체적법으로 차분되었고, 비균일 엇갈림격자계를 사용하였다. 시간 차분은 대류항에 대하여 3차 정확도의 Runge-Kutta 양해법(explicit)으로 적분하였고, 확산항은 Crank-Nicolson의 음해법(implicit)으로 적분을 수행하였다. 또한 연속방정식과 운동량 방정식을 분리하기 위하여 Fraction Step 기법[11]이 사용되었다.

성능/효과

그의 연구 결과를 살펴보면, 채널 간격과 실린더 변의 비인 가로막음비와 Re 수(Reynolds number)가 증가하면 열전달이 증가하였다.
10(c)의 점선 참조). 따라서 실린더가 채널 벽에서 너무 가까운 경우 실린더가 없는 경우에 비해 열전달 효율이 더 떨어질 수있다는 것을 알 수 있다.
또한 G/d≥0.5에서는 Re가 증가할수록 # 값이 서서히 증가하다가 특정 Re에서 증가폭이 급격히 상승하는 현상이 나타났다.
0 이상으로 증가하게 되면, 실린더에서 주기적인 와흘림이 발생하게 되는데, 이 와흘림은 채널내의 유동에 영향을 끼치며 채널 벽에서의 열전달 효율을 상승 시키는 요인으로 관찰되었다. 또한 실린더가 채널 벽에서 너무 가까운 경우 실린더가 없는 경우에 비해 열전달 효율이 더 떨어지며, 채널 벽에서의 열전달 효율은 채널 벽에서의 평균 전단응력과 밀접한 관계를 갖고 있음을 알 수 있었다.
채널 내 주기적인 원형 실린더가 존재할 경우, 실린더와 벽 사이 간격(G/d)이 1.0보다 작은 경우에 채널 벽에서 재순환 와류가 발생하지만, 이 재순환 와류는 채널내의 유동에 큰 영향을 주지 못하여 채널 벽에서의 열전달 효율은 낮게 나타났다. G/d가 1.

후속연구

1), 채널 내 원형 실린더가 주기적으로 존재하는 경우, 실린더와 채널 벽과의 간격(G/d) 변화가 채널 벽면에서의 열전달 효율증진에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 이에 대한 연구 결과는 채널형 열교환기 설계 시 참고 자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실린더형 장애물을 이용한 채널내의 열전달에 관한 연구는 주로 어떤 내용인가?	실린더형 장애물을 이용한 채널내의 열전달에 관한 연구는 많은 연구자들에 의해 지금까지 수행되어져 왔다[2-5]. 이러한 연구들은 주로 실린더 후류에서의 주기적인 와흘림 특성과 실린더 표면에서의 열전달에 관한 내용이며, 대부분 실린더가 채널 내에 고정된 경우에 대한 것들이다. 한편 Yoon et al.
	정사각 단면의 실린더가 채널 안에 놓여 있을 경우 열전달에 어떤 영향을 끼치는가?	실린더형 장애물을 이용한 채널내의 열전달에 관한 연구로Valencia[7]는 정사각 단면의 실린더가 채널 안에 놓여 있을 경우, 채널 벽면에서의 열전달이 강화됨을 보였다. 그의 연구 결과를 살펴보면, 채널 간격과 실린더 변의 비인 가로막음비와 Re 수(Reynolds number)가 증가하면 열전달이 증가하였다.
	열전달 측면에서 유동장내에 와류 생성기는 어떠한 역할을 하는가?	유동장내에 와류 생성기와 같은 장애물이 있는 경우, 그 장애물의 후류 부에 대와류가 발생되고, 섞임 현상이 증가하게 된다. 이는 장애물 후류에서의 열전달을 촉진하는 역할을 하는데, 따라서 열교환기의 설계에서는 열교환기의 내부에 이러한 장애물 즉 와류생성기를 설치하여 열전달 효율을 높이게 된다[1].

참고문헌 (12)

2002, Valencia, A. and Cid, M., "Turbulent unsteady flow and heat transfer in channels with periodically mounted square bars," Int. J. Heat and Mass Transfer, Vol.45, No.8, pp.1661-1673.

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2002, Buyruk, E., "Numerical study of heat transfer characteristics on tandem cylinders, inline and staggered tube banks in cross-flow of air," Int. Commun. Heat Mass Transfer, Vol.29, No.3, pp.355-66.

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2006, Zhou, Y. and Yiu, M.W., "Flow structure, momentum and heat transport in a two-tandem-cylinder wake," J. Fluid Mech., Vol.548, pp.17-48.

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2010, Han, T.H., Yang, K.S. and Lee, K., "Heat transfer Characterization of two isothermal circular cylinders in proximity," ASME J. Heat transfer, Vol.132, No.3, pp.034504.

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1998, Pinol, S. and Grau, F.X., "Influence of the no-slip boundary condition on the prediction of drag, lift, and heat transfer coefficients in the flow past a 2-D cylinder," Numer. Heat Tranfer, Part A, Vol.34, pp.313-330.

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2010, Yoon, D.H., Yang, K.S. and Kang, C., "Primary Instability of the channel flow with a streamwise-periodic array of circular cylinders-Effects of the distance between the cylinder and the channel wall," J. Comput. Fluids Eng., Vol.15, No.3, pp.54-59.
1995, Valencia, A., "Heat transfer enhancement in a channel with a built-in square cylinder," Int. Commun. Heat Mass Transfer, Vol.22, No.1, pp.47-58.

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1994, Suzuki, K. and Suzuki, H., "Unsteady heat transfer in a channel obstructed by an immersed body," Ann. Rev. Heat Transfer, Vol.5, No.5, pp.177-206.

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2001, Kim, J., Kim, D. and Choi, H., "An immersed-boundary finite-volume method for simulations of flow in complex geometries," J. Comp. Phys., Vol.171, No.1, pp.132-150.

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2004, Kim, J. and Choi, H., "An immersed-boundary finite-volume method for simulation of heat transfer in complex geometries," KSME Int. J., Vol.18, pp.1026-1035.
2000, You, J., Choi, H. and Yoo, J.Y., "A modified fractional step method of keeping a constant mass flow rate in fully developed channel and pipe flows," KSME Int. J., Vol.14, pp.547-552.
1995, Schatz, M.F., Barkley, D. and Swinney, H., "Instability in a spatially periodic open flow," Phys. Fluids, Vol.7, No.2, pp.344-358.

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