[논문]병렬 마이크로 채널 형상에 따른 CFD 유동해석

최용석; 임태우; 김유택; 김도엽

doi:10.13000/jfmse.2013.25.5.1102

병렬 마이크로 채널 형상에 따른 CFD 유동해석
CFD Analysis on the Channel Shapes of Parallel Micro-Channels 원문보기

水産海洋敎育硏究 = Journal of fisheries and marine sciences education, v.25 no.5 = no.65, 2013년, pp.1102 - 1109

최용석 (한국해양대학교) , 임태우 (한국해양대학교) , 김유택 (한국해양대학교) , 김도엽 (한국해양대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

An numerical analysis was performed to obtain the design parameters for parallel micro-channels. The parallel micro-channels consist of 10 square channels with a hydraulic diameter of 300 ${\mu}m$ and inlet/outlet manifolds. The channel length is 5mm, 10mm and 40mm respectively. Mass flux was set between 200~600kg/m2s as inlet boundary condition and atmospheric pressure was set as outlet boundary condition. The pressure drop in channels and manifolds were estimated by using the Shah and London correlation and the flow uniformity was represented by the velocity distributions with dimensionless velocity. The results show that the flow uniformity in channels depends on shapes of manifolds, length and mass flux.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 입구 질량유속 변화와 마이크로 채널 및 매니폴드 형태에 따른 CFD 수치해석을 통해 마이크로 채널에서의 유동 특성을 분석하고, 병렬 마이크로 채널 설계에 관한 자료를 확보하고자 한다.
본 연구에서는 채널길이와 매니폴드의 형상 및 입구조건 변화에 따른 병렬 마이크로 채널에서의 유동 특성에 대한 수치해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

입구조건에는 200, 400, 600kg/m²s 의 질량유속(G)을 체적유량으로 환산하여 적용하였으며, 출구조건으로는 대기압조건을 부여하였다. 채널의 모든 벽면에서의 질량과 운동량 전달은 no-slip wall 조건을 적용하였으며, 채널외부는 단열처리 되었음을 가정하고 단열조건을 적용하였다. 또한 마이크로 채널에서는 속도와 점성계수에 비해 단면적이 작기 때문에 레이놀즈수는 매크로 채널에 비해 상당히 낮으며, 대부분 층류 유동장을 가진다.

제안 방법

[Fig. 2]는 각각 채널길이 5mm, 10mm, 40 mm일 때 질량유량 변화에 따른 압력 강하를 나타내며, 타입별 수치해석 값과 Shah and London의 상관식과 비교하였다. 본 연구에서는 채널에서 뿐만 아니라 입·출구 매니폴드에서도 압력 강하가 발생하기 때문에 채널에서의 압력강하 상관식인 Shah and London의 상관식과는 다소 차이가 발생하고 있다.
유체의 균일한 유동 분배를 위해 입·출구에 매니폴드를 생성시켰으며, 매니폴드는 길이별로 S-type과 I-type에 대해 각각 수직형 구조와 수평형 구조를 적용시켰다.
또한 연구의 결과는 추후 실험을 위한 설계자료 및 실험데이터와의 비교를 위해 활용할 수 있으므로, 실험가능한 조건과 최대한 유사하게 설정하였다. 입구조건에는 200, 400, 600kg/m²s 의 질량유속(G)을 체적유량으로 환산하여 적용하였으며, 출구조건으로는 대기압조건을 부여하였다. 채널의 모든 벽면에서의 질량과 운동량 전달은 no-slip wall 조건을 적용하였으며, 채널외부는 단열처리 되었음을 가정하고 단열조건을 적용하였다.
신뢰성 있는 CFD의 수치해석 해를 구하기 위해서는 우선 적절한 계산격자를 생성해야 한다. 효율적인 격자생성 및 계산을 위해서 Hexahedral 격자계로 구성하였으며, 격자 의존성 검토를 거쳐 40mm 의 병렬 마이크로 채널을 기준으로 약 50만개의 격자를 생성하였다. 해석조건은 <Table 1>에 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에서는 수력직경 300μm의 동일한 10개 정사각 채널로 구성된 병렬 마이크로 채널을 사용하였으며, 채널의 길이는 5mm, 10mm, 40mm로 설계되었다.

성능/효과

1. 본 연구에서 고려한 4가지 채널 형상에서는 질량 유속이 낮을수록, 채널길이가 길수록 압력분포와 속도분포가 고르게 나타났다. 이것은 질량유속이 높아질수록, 채널의 길이가 짧아질수록 입·출구 매니폴드의 형상이 유동 분배에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다.
2. 채널별 속도 분포 경향은 주로 매니폴더 형상에 의해 결정된다. S-Type 매니폴드는 입구와 근접한 채널에서 낮은 속도를 가지며 출구측으로 갈수록 속도는 증가하며, I-Type 매니폴드는 중간부분의 채널에서 높은 속도를 가지며 양 끝으로 갈수록 속도는 감소한다.
3. 일반적인 매니폴드 형상에서는 부분적으로 재순환 영역이 발생하며 채널의 입구측에서는 베나 콘트랙타가 형성되어 속도수두의 손실이 발생한다. 매니폴드의 최적설계시 이러한 사항을 고려하여야 한다.
즉, 각 채널별 속도분포 경향은 주로 매니폴드 형상에 좌우되며, 수직형, 수평형 구조에 따른 속도분포의 영향은 상대적으로 적게 나타난다. 또한 각 채널별 무차원 속도의 편차는 질량유속이 증가할수록 커지며, 채널길이가 길어질수록 감소하는 것을 알 수 있다. 속도분포는 앞서 고찰한 압력강하와 밀접한 관련이 있다.
4]에 나타내었다. 본 연구에서 사용한 4가지 매니폴드 형상에 대해서 무차원 속도의 최대치는 S_h-Type에서 가장 높게 나타나며, S_v-Type의 무차원 속도분포 경향과 거의 일치한다. 마찬가지로 I_h-Type은 I_v-Type의 속도분포 경향과 거의 일치한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 채널의 성능을 결정짓는 중요한 요소는 무엇인가?	또한 채널간 불균일한 유동 분배는 마이크로 채널의 열·유동 특성에 많은 영향을 미치며, 결국 시스템의 성능저하로 이어진다. 따라서 매니폴드에서의 균일한 유동 분배는 마이크로 채널의 성능을 결정짓는 중요한 요소라고 할 수 있다. 하지만 마이크로 채널에 대한 연구는 주로 열전달, 압력강하에 대하여 진행되고 있으며, 유동 분배에 대한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.
	여러 분야에서 실제로 사용되고 있는 마이크로 채널의 형태는 어떤 구조인가?	여러 분야에서 실제로 사용되고 있는 마이크로 채널의 형태는 다수의 채널이 병렬로 연결된 구조이다. 유동의 입·출구에 위치한 매니폴드의 형태에 따라 채널 내부 유동의 변화가 발생한다.

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