[논문]파이프 형상에 따른 내부 열유동 특성과 성능에 관한 수치해석적 연구

박상협; 김상근; 하만영

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.11.999

파이프 형상에 따른 내부 열유동 특성과 성능에 관한 수치해석적 연구
Numerical Study on Flow and Heat Transfer Characteristics of Pipes with Various Shapes 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.11 = no.338, 2013년, pp.999 - 1007

박상협 (부산대학교 기계공학부) , 김상근 (부산대학교 기계공학부) , 하만영 (부산대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 다양한 형상의 파이프에 대한 압력강하와 열전달 특성을 수치적으로 해석하였다. 원형 파이프에서부터 타원형, 톱니형, 비틀어진 형태와 같은 다양한 형상의 파이프를 3차원으로 수치해석을 통해 비교하였다. 수치해석은 층류에서 난류영역까지 계산을 수행하였다. 파이프 유동해석은 완전발달된 영역에서 정상상태, 비압축성 RANS수식을 이용하여 계산하였다. 유동의 손실은 friction factor를 통해 비교하였고, 열전달 성능은 각 파이프 표면에서의 Colburn factor를 통해 비교하였다. 종합적인 열유동 성능평가는 Volume and Area goodness factor를 통해 평가하였다. 열전달 성능을 향상시키고 유동의 손실은 최소화하는 최적의 형상을 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present work reports numerical results of the pressure drop and heat transfer characteristics of pipes with various shapes such as circular, elliptical, circumferential wavy and twisted using a three-dimensional simulation. Numerical simulations are calculated for laminar to turbulent flows. The fully developed flow in pipes was modeled using steady incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations. The friction and Colburn factor of each pipe are compared with those of a circular tube. The overall flow and heat transfer calculations are evaluated by the volume and area goodness factor. Finally, the objective of the investigation is to find a pipe shape that decreases the pressure loss and increases the heat transfer coefficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구를 통해 관형 열교환기에 사용될 수 있는 다양한 형상의 관 표면 형상체가 내부 유로의 열·공력학적인 성능을 향상시킬 수 있는 연구 결과를 얻었다.
이에 따라 본 연구에서는 관의 형상을 다양하게 바꿔보며 유동손실과 열전달 특성을 수치해석을 통해 연구하였다. 열· 공력학적인 성능을 평가하기 위해 Volume goodness factor 와 Area goodness factor^(14,15)를 이용하여 정량적으로 나타내었다.
Chang 등⁽⁹⁾은 관의 형상을 비틀린 타원형태의 관에 대해 수치해석 연구를 하였다. 타원의 지름비와 비틀림비가 관 내부의 유동현상에 영향이 있다는 것을 연구하고 비틀림비가 커질수록 관 내부의 2차유동이 잘 일어남을 연구하였다.

가설 설정

3333px;">= 1000 에서 관의 유동방향과 수직한 단면에서의 온도분포를 보여준다. 그림에서 볼수 있듯이 온도 분포는 관 중심에서 벽면으로 온도가 낮아지며, 직관 형태의 원형(a)과 타원형(b), 톱니형(e) 관은 일정한 온도 구배를 나타내고 있다.

제안 방법

(c), 비틀린 톱니형관(f)은 선행연구(11)의 결과를 바탕으로 ReDh =1000,2000 영역에서 난류의 영향을 검토하기 위해 k-ε모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다.
Enhanced wall treatment 모델을 사용할 경우 수치해석의 정확도를 위해 벽면에서 수직방향으로 분포된 첫 번째 격자의 위치를 Fig. 3 과 같이 벽 단위(+)로 y+≈1.0 맞추어 해석을 수행하였다.
Fig. 1과 같이 원형(CP), 타원형(EP), 비틀린 타원형(TEP), 파형(SWCP), 톱니형(CWP), 비틀린 톱니형(TCWP)의 6가지 형상의 관에 대하여 성능을 평가 하였다. Fig.
2에서 볼 수 있듯이 계산영역의 입구영역을 충분히 길게 모델링 하였다. 계산영역의 후류에서는 역류로 인한 계산의 오류를 방지하기 위해 입구영역과 동등하게 충분히 길게 모델링을 하였다.
따라서 본 연구에서는 Re_Dh= 200, 1000, 2000영역에서 원형관에 대한 수치해석은 층류모델을 사용하여 수치해석을 수행하였다.
또한 파형관과 비틀린 타원형관에 대한 수치해석 타당성평가를 추가로 진행하였다.
를 계산하였다. 또한, Area goodness factor 와 Volume goodness factor^(14,15)를 이용하여 열∙ 공력학적 성능을 정량적으로 나타내었다.
본 연구에 사용할 전산해석의 계산영역의 격자에 대한 영향을 평가하기 위해 각각 다른 격자수에 대하여 원형관 전산해석을 수행하였다.
본 연구에 사용할 전산해석의 계산영역의 타당성과 정확성을 평가하기 위해 원형관에 대한 전산 해석을 수행하여 Friction factor 와 Nusselt 수의 결과를 비교하였다.
본 연구에서 다양한 형상의 관에서 압력손실 및 열전달 성능을 비교하기 위해 Friction factor 와Colburn factor ⁽¹⁷⁾를 계산하였다. 또한, Area goodness factor 와 Volume goodness factor^(14,15)를 이용하여 열∙ 공력학적 성능을 정량적으로 나타내었다.
본 연구에서는 총 6가지 관의 형상에 대해 유동 및 열전달 특성을 수치해석을 통해 Volume goodness factor와 Area goodness factor를 이용하여 층류영역부터 난류영역까지 열∙ 공력학적인 성능을 평가하였다. 다양한 형상의 관에서 열, 유동현상을 수치해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서는 약 100만개의 격자수를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 난류 모델은 Standard k-ε모델에서 Enhanced wall treatment모델을 사용하였다.
작동유체는 350K의 공기를 사용하였으며 관의 벽면 온도는 300K로 고정시켰다. 본 연구는 수치 해석 계산을 수행하기 위하여 상용 코드인 ANSYS Fluent v14.

이론/모형

(17) 난류유동은 Moody 선도의 상관식⁽¹⁷⁾을 근사한 식 (15)를 통해 Friction factor 를 비교하였으며 Dittus-Boelter ⁽¹⁷⁾가 제시한 상관식(17)을 이용하여 usselt 값을 평가하였다.
대류항과 확산항의 이산화 방법으로는 각각 2차 정확도의 상류차분기법과 중심차분법을 사용하였다.
작동유체는 350K의 공기를 사용하였으며 관의 벽면 온도는 300K로 고정시켰다. 본 연구는 수치 해석 계산을 수행하기 위하여 상용 코드인 ANSYS Fluent v14.5를 사용하였다.
속도와 압력 연계를 위해 SIMPLE 알고리즘이 사용되었다.
수치해석에 사용된 난류 모델은 Standard k-ε모델에서 Enhanced wall treatment모델을 사용하였다.
관의 형상에 따른 열∙ 공력학적인 성능을 평가하기 위한 작동유체로는 물성치가 온도와 압력에 상관없이 일정한 공기를 사용하였다. 식 (1)-(3) 에 각각 나타낸 비압축성 유체의 연속방정식 및 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 이용하여 유한체적법으로 이산화하였다.
열· 공력학적인 성능을 평가하기 위해 Volume goodness factor 와 Area goodness factor(14,15)를 이용하여 정량적으로 나타내었다.

성능/효과

(1) 다양한 형상의 관에 대한 유동 및 열전달 특징을 확인하였으며, 파형관, 비틀린 타원형관, 비틀린 톱니형관은 2차유동과 유동의 박리로 인한 3차원 유동이 발생함을 확인하였다.
(2) Friction factor와 Colburn factor 값은 같은 Reynolds수에서 원형관과 비교하여 비틀린 타원, 톱니, 파형 형상의 관에서 높은 값을 나타내었다.
(3) ReDh = 2000 이하에서 비틀린 타원형관의 Area goodness factor의 값이 높게 나타났으며, 원형관보다 최대 25% 이상의 열전달 향상을 보였다.
(4) 파형관과 비틀린 타원형관의 Volume goodness factor가 다른 형상의 관에 비해 높은 결과를 보였다. 비틀린 타원형관의 경우 관형 열교환기에서 원형관보다 더 좋은 성능을 나타낸다.
결과에서 볼 수 있듯이 파형관은 열∙ 공력학적 성능을 나타내는 Volume goodness factor가 원형관에 비해 높은 결과를 나타내며 이는 같은 성능의 열교환기에서 열전달 면적을 감소 시킬 수 있는 것을 뜻한다. 열전달 면적을 감소 시키면 열교환기의 전체 크기와 무게를 줄 일 수 있는 장점이 있다.
따라서 원형관에 비해 비틀린 타원형관과 파형관은 2차유동과 유동의 박리로 인한 3차원 유동의 효과로 원형관에 비해 우수한 열∙ 공력학적 성능을 가지며 이는 고효율 또는 저중량, 소형화된 관형 열교환기를 설계할 수 있다.
또한 비틀린 타원형관은 낮은 ReDh 영역에서 Area goodness factor와 Volume goodness factor가 모두 원형관에 비해 높은 결과를 나타내었다.
또한, 원형관이 층류영역 ReDh = 2000 이하에서는 3차원 유동을 가지는 비틀린 타원형관 및 파형관은 원형관보다 압력손실 및 열전달 성능이 차이가 ReDh = 5000 이상의 영역보다 큰 경향을 보였다.
12은 Volume goodness factor의 결과를 나타낸 그림이다. 파형관과 비틀린 타원형관의 Volume goodness factor값이 원형관에 비해 향상됨을 확인할 수 있다.
파형관의 경우, 압력 손실은 원형관에 비해 Re 2000 Dh = 에서 약 10배 차이가 나타났으며, 열전달 성능도 약 7.5배 높게 나타났다. 이러한 이유는 원형관은 층류영역인데 반해 파형관은 유동방향에 따른 수직 단면의 차이에 의해 유동박리에 의한 재순환 영역으로 인하여 압력 손실이 추가로 나타나고 3차원 유동의 특성에 의해 열전달 성능도 향상되는 특징을 가지고 있기 때문이다.

후속연구

이러한 연구 결과를 바탕으로 향후 본 연구에서 제안한 다양한 형상의 관에 대한 설계 변수들을 조절하여 최적의 열∙ 공력학적 성능을 가지는 최적 설계변수를 도출하기 위한 연구를 수행할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	관형 열교환기의 사용분야?	정유 시스템, 냉장고, 발전소, 화학공장등 다양한 산업분야에서 관형 열교환기가 사용된다. 이러한 열교환기의 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
	열교환기의 효율 높이기 위해서는?	이러한 열교환기의 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 열교환기의 효율을 높이기 위해서는 유동의 압력손실을 줄이고 열전달량을 향상시켜야 한다. 관형 열교환기의 성능을 높이기 위한 방법으로는 관 내에 열전달을 향상시키기 위해 촉진체를 삽입하는 방법과 관의 형상을 변형시키는 방법이 있다.
	관형 열교환기의 효율 높이기 위한 방법?	열교환기의 효율을 높이기 위해서는 유동의 압력손실을 줄이고 열전달량을 향상시켜야 한다. 관형 열교환기의 성능을 높이기 위한 방법으로는 관 내에 열전달을 향상시키기 위해 촉진체를 삽입하는 방법과 관의 형상을 변형시키는 방법이 있다. Royal 등, (1) Smith 등(2)은 관 내부에 비틀어진 테이프(twisted-tape) 형태의 열전달 촉진체를 삽입하여 열전달 실험을 수행한 결과, 열전달이 촉진체를 삽입하지 않은 원형관에 비해 증가하였음을 확인하였다.

참고문헌 (17)

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저자의 다른 논문 :

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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