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문제 정의
- 본 연구에서는 선행 연구를 토대로 스크류 압축기 냉각유로의 최적 설계를 위해 이중냉각유로의 분리벽 길이비(Ls/D) 와 두께비(t/D) 변화에 따른 압력강하 및 Nu 수 변화와 같은 열유동 특성을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 우선적으로 기존 냉각유로에 대한 수치해석을 수행하였다. Figure 5는 기존 냉각유로 내부에서의 유선 분포를 나타낸 것으로, 복잡한 냉각유로를 통해 유입된 작동유체는 우측 하부에서 낮은 유속분포를 나타내고 있다.
제안 방법
- 3) 열전달 성능이 우수한 Type C의 분리벽 두께비 형상 변화로 냉각유로 내부 열유동 특성을 해석하였다. 두께비가 얇을수록 냉각유로 상류에서 하류로 작용하는 노즐 효과 증가로 인해 재순환영역이 증가하기 때문에 열전달 성능이 우수한 것으로 나타났다.
- Type C의 분리벽 두께비 변화에 따른 열유동 특성을 확인 하기 위하여 추가적으로 수치해석을 수행하였다. Figure 10에서는 Type C 분리벽 두께비에 따른 각 계산영역(Fig.
- 또한, 냉각유로의 성능을 확인하기 위하여 Fig. 2에 표시된 A1영역에서의 유동 특성을 가시화하여, 기본 모델과 개선된 모델의 열유동 특성을 비교 분석하였다.
- 냉각유로는 고정된 입구압력 300kPa을 가지며, 작동유체로 20℃의 물을 사용하였다. 또한, 스크류 압축기 로터 회전구간에는 250℃의 단열조건을 설정하여 하우징 열전달 현상을 고찰하였다. 수치해석을 위한 격자계 형성은 ANSYS 자동 격자계를 사용하였으며, 대략 4,500,000개 격자로 구성하였다.
- 본 연구에서는 스크류 압축기 냉각유로 분리벽 형상 변화에 따른 열유동 특성 및 Nu 수를 해석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 1과 같이 스크류 압축기의 하우징(housing)과 냉각 유로(water jacket) 영역으로 구성하였다. 선행 연구 결과를 토대로 기존 모델 보다 냉각 효율이 높은 냉각유로 설계를 위하여 이중냉각유로를 설계하였으며, Fig. 2에 새롭게 설계된 냉각유로를 나타내었다. 이중냉각유로의 길이비(Lw/D)와 분리벽의 길이비(Ls/D)에 대한 제원은 Table 1에 나타내었다.
- 유동정체구간이 형성되는 기본 모델의 냉각 성능을 높이기 위해 분리벽이 설치된 이중냉각유로의 유동특성을 수치 적으로 해석하였다. Figure 7은 냉각유로 내 각 계산영역 (Fig.
- 이중냉각유로의 상류(1≤xn≤9)와 하류(11≤xn≤19)는 10mm 간격으로 열유동 계산 결과를 확보하였으며, 작동유체의 급격한 방향 전환에 따른 유동 특성을 확인하기 위하여 계산영역 x10을 설정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 냉각유로의 운전 및 경계 조건은 Table 2에 표기하였다. 냉각유로는 고정된 입구압력 300kPa을 가지며, 작동유체로 20℃의 물을 사용하였다. 또한, 스크류 압축기 로터 회전구간에는 250℃의 단열조건을 설정하여 하우징 열전달 현상을 고찰하였다.
- 본 연구에 사용된 냉각유로의 운전 및 경계 조건은 Table 2에 표기하였다. 냉각유로는 고정된 입구압력 300kPa을 가지며, 작동유체로 20℃의 물을 사용하였다.
- 본 연구에서는 스크류 압축기 냉각유로의 수치해석을 위해 Fig. 1과 같이 스크류 압축기의 하우징(housing)과 냉각 유로(water jacket) 영역으로 구성하였다. 선행 연구 결과를 토대로 기존 모델 보다 냉각 효율이 높은 냉각유로 설계를 위하여 이중냉각유로를 설계하였으며, Fig.
- 또한, 스크류 압축기 로터 회전구간에는 250℃의 단열조건을 설정하여 하우징 열전달 현상을 고찰하였다. 수치해석을 위한 격자계 형성은 ANSYS 자동 격자계를 사용하였으며, 대략 4,500,000개 격자로 구성하였다. Figure 3은 수치해석에 사용된 스크류 압축기 하우징과 냉각유로에 대한 격자계를 도시한 것이다.
- 스크류 압축기 냉각 시스템은 복잡한 내부 냉각유로 구조를 가지고 있으며, 효과적인 냉각성능을 얻기 위하여 오래 전부터 터빈 블레이드 내부에 사용되었던 이중냉각유로를 적용하였다. 이중냉각유로는 기본적으로 두 개의 직관과 곡 관이 연결되어 있으며, 곡관부로 작동유체가 유입되면서 발생하는 외벽과의 충돌, 회전에 의한 원심력, 그리고 이로 인한 유동박리(flow separation) 등으로 인하여 열전달 성능이 증가하게 된다.
이론/모형
- 난류모델로는 경계층 및 유동 박리 모사에 우수한 SST (Shear Stress Transport) 모델을 사용하였다.
- 이중냉각유로의 분리벽 형상 변화에 따른 열유동 특성 확인을 위해 지배방정식으로 연속방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식을 사용하였고, 해를 구하기 위해 범용 유한체적해석(Finite Volume Method, FVM) 소프트웨어인 ANSYS CFX를 활용하였다.
성능/효과
- 1) 기본 모델의 냉각유로는 유입구 형상으로 인해 넓은 유동정체구간이 형성되었으며, 원활한 유동이 이루어지지 않아 효율적인 냉각성능 확보가 어려움을 알 수 있 었다.
- 2) 작동유체의 효과적인 유동을 확보하기 위하여 냉각유로 분리벽을 설치하였으며, 좁은 곡관 형상을 가지는 Type C에서 높은 열전달 성능이 나타났으며, 이러한 유로를 따라 이동하는 작동유체는 곡관 하류에서 유동 박리 및 원심력으로 인한 재순환 영역을 생성하였다.
- 앞서 제시한 기존 모델 결과보다 이중냉각유로를 설치한 냉각유로는 곡관부를 지나면서 일정 속도 이상의 유속을 확보하였다. Type C와 같이 분리벽 길이비가 길어질수록 곡관부에서 노즐 효과로 인해 유속이 증가함을 확인할 수 있었으며, 기본 모델에 비해 더 효율적인 작동유체의 유동성능을 나타내었다. 또한, 원심력으로 인한 냉각유로 내 속도차를 유발시켜 이중냉각유로 하류에서 재순환 영역이 나타나게 된다.
- 그 결과 분리벽 길이비 변화와 마찬가지로 주유동이 상류에서 하류로 선회하는 영역(9≤ xn≤11)에서는 높은 압력 강하 분포를 나타내고 있지만, 분리벽 두께비 변화에 따른 압력 분포는 비슷한 경향을 나타내 었다.
- Figure 6에서는 계산영역 A1에 대한 속도분포를 도시하였다. 냉각유로로 유입된 작동유체가 확장되는유로에서 확산 현상이 발생하므로 작동유체 속도 분포가 약 0.3m/s이하로 감소하는 것을 확인하였다. 이는 작동유체의 원활한 순환이제대로 이루어지지 않아 압축기 하우징을 효과적으로 냉각 시킬 수 없는 결과를 초래한다고 할 수 있다.
- 3) 열전달 성능이 우수한 Type C의 분리벽 두께비 형상 변화로 냉각유로 내부 열유동 특성을 해석하였다. 두께비가 얇을수록 냉각유로 상류에서 하류로 작용하는 노즐 효과 증가로 인해 재순환영역이 증가하기 때문에 열전달 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이상에서 살펴본 바와 같이 냉각유로 분리벽 형상 변화를 통하여 열전달 성능을 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
- 이는 냉각 유로 하류에서 원심력과 유동박리 증가로 인해 재순환영역이 발달한 것으로 판단할 수 있다. 따라서 냉각유로 Type C 는 Type A와 B보다 좁은 곡관을 형성하고 있어 재순환영역이 증가하고, Nu 수가 증가하는 것으로 나타났으며, 효과적인 방열성능을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
- 두께비가 얇을수록 냉각유로 상류에서 하류로 작용하는 노즐 효과 증가로 인해 재순환영역이 증가하기 때문에 열전달 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이상에서 살펴본 바와 같이 냉각유로 분리벽 형상 변화를 통하여 열전달 성능을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 향후 최적 냉각 성능 확보를 위하여 로터의 압축과정에서 발생하는 열전달 현상을 반영한 추가적인 연구 및 실험적인 고찰이 필요하다.
후속연구
- 이상에서 살펴본 바와 같이 냉각유로 분리벽 형상 변화를 통하여 열전달 성능을 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 향후 최적 냉각 성능 확보를 위하여 로터의 압축과정에서 발생하는 열전달 현상을 반영한 추가적인 연구 및 실험적인 고찰이 필요하다.
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