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[국내논문] 다양한 부채꼴 핀휜 형상의 열성능 평가
Evaluation of Thermal Performances of Various Fan-Shaped Pin-Fin Geometries 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.7 = no.346, 2014년, pp.557 - 570  

문미애 (국방과학연구소) ,  김광용 (인하대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 삼차원 RANS 방정식을 이용하여 냉각 유로 내에 부착하는 새로운 핀휜의 다양한 부채꼴 형상에 대해 열전달, 압력강하, 열성능을 평가하였다. 레이놀즈수가 5,000부터 100,000인 경우에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 난류모델로는 Low-Re SST 모델을 사용하였다. 수치해석의 정당성을 확보하기 위하여 실험과 동일한 조건에서 면적 평균 누셀트수에 대한 실험값과 계산값을 비교하였다. 앞전 각도와 뒷전 각도를 매개변수로 하여 세 종류의 부채꼴 핀휜의 형상 변화에 따른 열성능을 평가하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The heat transfer, pressure loss, and thermal performance in a cooling channel were evaluated for various new fan-shaped pin-fin geometries using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The turbulence was modeled using the low-Reynolds-number SST turbulence model in the Reynolds...

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문제 정의

  • 위와 같은 연구에서 핀휜의 단면 형상이 핀휜이 부착된 내부냉각유로의 열전달 성능 및 압력강하에 큰 영향을 미치는 것이 입증되었다. 이에 따라 본 연구에서는 높은 열전달 성능을 가짐과 동시에 낮은 압력강하를 보이는 새로운 형상의 핀휜을 개발하기 위해 부채꼴 단면형상의 핀휜을 새롭게 제시하고, 부채꼴 형상의 형상 인자들을 다양하게 변화시켜 열전달 성능 및 압력강하에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.
  • 11과 12는 레이놀즈수가 각각 5,000 과 100,000 일 때, 원형 핀휜과 부채꼴 핀휜들 (A-3, B-3 그리고 C-4)에 대해 열전달면에서의 누셀트수 분포를 나타내고 있다. 열성능의 경우, 부채꼴 핀휜 A-3 보다 A-1에서 약간 더 좋은 성능을 확인할 수 있으나, 이는 열전달 성능의 향상에 따른 것이 아닌 압력 강하가 작게 발생함에 따른 것이므로, 본 그림에서는 부채꼴 핀휜 A-3에 대해 살펴보고자 한다. 본 그림을 통해 부채꼴 핀 휜의 형상 변화에 따른 열전달면에서의 국부 누 셀트수 분포 변화를 살펴보고자 한다.
  • 열성능의 경우, 부채꼴 핀휜 A-3 보다 A-1에서 약간 더 좋은 성능을 확인할 수 있으나, 이는 열전달 성능의 향상에 따른 것이 아닌 압력 강하가 작게 발생함에 따른 것이므로, 본 그림에서는 부채꼴 핀휜 A-3에 대해 살펴보고자 한다. 본 그림을 통해 부채꼴 핀 휜의 형상 변화에 따른 열전달면에서의 국부 누 셀트수 분포 변화를 살펴보고자 한다. 핀휜 단면 형상과는 무관하게 레이놀즈수가 증가함에 따라 열전달계수가 전반적으로 높은 값을 가짐과 동시에 핀휜의 전연부(leading part)와 측면에서 높은 누셀트수를 갖는 것을 확인할 수 있다.
  • 본 연구에서는 새로운 형상의 부채꼴 핀휜을 제안하였으며, 이 핀휜의 다양한 형상 변수에 대해 삼차원 RANS 해석을 수행하여 형상 변수가 열전달 성능, 압력강하 및 열성능에 미치는 영향을 평가하였다. 원형 핀휜이 부착된 실험 형상과 동일한 형상에 대해 수치해석을 수행하여 실험결과와 계산값을 비교해하여 수치해석 결과의 타당성을 입증하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
내부냉각유로의 열전달 강화 효과를 얻는 방법은 무엇인가 내부냉각유로의 벽면에 핀휜(pin-fin), 리브(rib), 딤플(dimple) 등과 같은 유동간섭물을 설치할 경우, 난류의 발생을 촉진시킴과 동시에 열전달면의 면적을 증가시켜 열전달 강화 효과를 얻을 수 있다. 핀휜의 경우, 열전달면과 핀휜의 접촉부에서 형성되는 와류(말발굽 와류, 재순환 와류 등) 로 인해 열전달면의 냉각 효과가 크게 증대된다.
다양한 터빈 블레이드 냉각 기술이 개발된 이유는 무엇인가 전 세계적인 전력난 및 자원 고갈로 인해 화력 발전 및 개별 발전에 널리 사용되는 가스 터빈의 효율의 중요성이 재조명되고 있는 가운데, 가스터빈의 효율 향상을 위한 다양한 기술이 끊임없이 연구되고 있다. 가스 터빈이 높은 열효율을 달성하기 위해서는 터빈 입구 온도의 상승이 불가피하나, 재료의 특성으로 인해 터빈 블레이드 냉각 기술을 도입하지 않고는 높은 온도를 달성하기가 불가능하다. 따라서 다양한 터빈 블레이드 냉각 기술이 개발되었는데, 그 중 내부냉각유로에 다양한 종류의 유동간섭물(turbulator)을 부착하여 대류열전달을 극대화하는 기법이 널리 사용 되고 있다.
열전달 촉진장치인 핀휜의 특징은 무엇인가 위와 같은 연구에서 핀휜의 단면 형상이 핀휜이 부착된 내부냉각유로의 열전달 성능 및 압력 강하에 큰 영향을 미치는 것이 입증되었다. 이에 따라 본 연구에서는 높은 열전달 성능을 가짐과 동시에 낮은 압력강하를 보이는 새로운 형상의 핀휜을 개발하기 위해 부채꼴 단면형상의 핀휜을새롭게 제시하고, 부채꼴 형상의 형상 인자들을 다양하게 변화시켜 열전달 성능 및 압력강하에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.
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참고문헌 (21)

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  10. Chyu, M. K., Yen, C. H. and Siw, S., 2007, "Comparison of Heat Transfer from Staggered Pin Fin Arrays with Circular, Cubic and Diamond Shaped Elements," Proceedings of ASME Turbo Expo, GT2007-28306. 

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  19. Dittus, F. W. and Boelter, L. M., 1930, "Heat Transfer in Automobile Radiators of the Turbulator Type," University of California, Berkeley Publication, Vol. 2, pp. 443-461. 

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  21. Chang, S. W., Yang, T. L., Huang, C. C. and Ching, K. F., 2008, "Endwall Heat Transfer and Pressure Drop in Rectangular Channels with Attached and Detached Circular Pin-Fin Array," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 51, pp. 5247-5259. 

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