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.
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.
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...
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 number range of 5,000-100,000. The numerical results for the area-averaged Nusselt numbers were validated by comparing them with the experimental data under the same conditions. A parametric study for three types of fan-shaped pin-fin geometries was performed with two parameters, namely, the leading and trailing reduction angles.
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 number range of 5,000-100,000. The numerical results for the area-averaged Nusselt numbers were validated by comparing them with the experimental data under the same conditions. A parametric study for three types of fan-shaped pin-fin geometries was performed with two parameters, namely, the leading and trailing reduction angles.
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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.
제안 방법
열전달면인 상·하면 및 핀휜의 표면에는 일정 열유속(heat flux) 조건과 점착 조건(no-slip condition)을 사용하였다.
본 연구에서는 Fig. 1(a)와 같은 Simoneau와 VanFossen(16)의 실험형상과 동일한 내부냉각유로를 대상으로 다양한 핀휜의 형상에 대한 수치해석을 수행하였다. 그림에 나타난 바와 같이 핀휜이 부착된 내부냉각유로의 종횡비(AR = W/H)는 2.
2(17,18)는 계산에 사용된 격자계의 예를 보여준다. SST 난류모델의 저레이놀즈수 모델(LowRe model)을 적용하기 위하여 벽면 근처 첫 번째 격자점의 y+가 2.0 이하가 되도록 위치시켰다. 속도와 압력의 변화가 매우 큰 벽 근처에서 수치해석의 정확성을 확보하기 위해 벽면 근처에 매우 조밀한 격자를 구성하였다.
0 이하가 되도록 위치시켰다. 속도와 압력의 변화가 매우 큰 벽 근처에서 수치해석의 정확성을 확보하기 위해 벽면 근처에 매우 조밀한 격자를 구성하였다. 또한 핀휜 근처에는 O-type 격자를 적용하여 보다 정확한 해석이 가능하도록 하였다.
속도와 압력의 변화가 매우 큰 벽 근처에서 수치해석의 정확성을 확보하기 위해 벽면 근처에 매우 조밀한 격자를 구성하였다. 또한 핀휜 근처에는 O-type 격자를 적용하여 보다 정확한 해석이 가능하도록 하였다.
원형 핀휜이 부착된 실험 형상과 동일한 형상에 대해 수치해석을 수행하여 실험결과와 계산값을 비교해하여 수치해석 결과의 타당성을 입증하였다. 부채꼴 핀휜의 단면형상 변화에 따른 성능변화를 살펴보기 위하여 앞전 각도및 뒷전 각도를 매개변수로 하는 19개의 부채꼴 핀휜의 형상에 대하여 열전달 성능, 압력강하 및 열성능에 관한 결과를 도출하여 비교하였다. 본 연구를 통해 레이놀즈수가 5,000과 100,000인 경우에서 부채꼴 핀휜: A-3가 높은 열전달 성능을 나타내는 것을 확인하였으며, 부채꼴 핀휜: A-1에서 압력 강하가 가장 작게 발생하는 것을 알 수있었다.
대상 데이터
7 mm 이다. 내부냉각유로의 수력직경(Dh)은 38.6 mm 이고, 내부냉각유로의 총 길이(L)는 203 mm 이다. Fig.
본 연구에서는 부채꼴 단면의 형상 변수가 열전달 성능과 압력강하에 미치는 영향을 살펴보기 위해 원형 핀휜과 함께 Table 1에 제시된 총 19개의 다양한 부채꼴을 시험하였다.
연구 수행에 앞서 수치해에 영향을 미치지 않는 최적 격자수를 찾기 위해 원형 핀휜을 사용한 Simoneau와 VanFossen(16)의 실험형상을 기준 형상으로 하여 실험과 동일한 조건에 대하여 Fig. 3(17,18)과 같이 107만개에서 497만개의 격자를 대상으로 격자의존성 테스트를 수행한 결과, 378만개를 최적 격자수로 채택하였다. 부채꼴 핀휜의 경우 형상 변화에 따라 격자수는 변화하였으나, 격자의 크기 및 배열은 동일하게 유지하였다.
데이터처리
과 동일한 유동장에 대하여 수치 해석을 수행하였다. 실험에서와 같이 레이놀즈수를 5,000 ~ 100,000 범위에서 변화시켜 계산을 수행하였으며, 면적 평균 누셀트수에 대한 실험치와 RANS 해석의 계산값을 비교하여 Fig. 4에 나타내었다. 그림을 통해 실험값과 계산값이 매우 작은 오차 범위 내에서 일치하는 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. 부채꼴 핀휜의 단면형상 변화에 따른 성능변화를 살펴보기 위하여 앞전 각도및 뒷전 각도를 매개변수로 하는 19개의 부채꼴 핀휜의 형상에 대하여 열전달 성능, 압력강하 및 열성능에 관한 결과를 도출하여 비교하였다.
이론/모형
핀휜이 부착된 내부냉각유로의 유동 및 열전달 해석을 위해 비압축성 레이놀즈평균 나비어-스톡스(RANS: Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 수치해석을 수행하였으며, 해석을 위해서 비정렬격자계를 채택한 상용 전산유체역학 코드인 ANSYS CFX-11.0(11)을 사용하였다. 이 코드는 압력기반 유한체적법(pressure-based finite volume method)을 이산화하여 얻어지는 방정식을 Algebraic multigrid coupled solver를 이용하여 지배방정식들을 수치계산한다.
0(11)을 사용하였다. 이 코드는 압력기반 유한체적법(pressure-based finite volume method)을 이산화하여 얻어지는 방정식을 Algebraic multigrid coupled solver를 이용하여 지배방정식들을 수치계산한다. 난류 해석을 위해서는 SST(Shear Stress Transport) 난류모델(12)을 사용하였다.
이 코드는 압력기반 유한체적법(pressure-based finite volume method)을 이산화하여 얻어지는 방정식을 Algebraic multigrid coupled solver를 이용하여 지배방정식들을 수치계산한다. 난류 해석을 위해서는 SST(Shear Stress Transport) 난류모델(12)을 사용하였다. SST 모델은 k-ε 모델(13)과 k-ω 모델(14)의 장점을 취한 모델로서, 벽 근처 영역에서는 k-ω모델이 사용되고, 이외의 영역에서는 k-ε 모델이 사용된다.
수치해석의 타당성을 검증하기 위해 Simoneau 와 VanFossen(16)과 동일한 유동장에 대하여 수치 해석을 수행하였다. 실험에서와 같이 레이놀즈수를 5,000 ~ 100,000 범위에서 변화시켜 계산을 수행하였으며, 면적 평균 누셀트수에 대한 실험치와 RANS 해석의 계산값을 비교하여 Fig.
성능/효과
Ames 등(2)은 실험을 통해 핀휜이 부착된 내부냉각유로에서의 압력, 온도, 속도 및 난류 강도 분포를 분석하였다. 이를 통해 첫번째 열에서 압력강하가 크게 발생하며, 이는 후류로 갈수록 감소한다고 하였으며, 세번째 열에서 열전달 성능이 가장 높게 나타남을 보였다. Chang 등(3)은 실험을 통해 핀휜의 높이와 내부냉각유로 높이의 비율 변화에 따른 열전달 성능 및 압력강하 변화를 살펴보았다.
Chyu와 Goldstein(5)은 7열의 원형 핀휜이 부착된 내부냉각 유로에서 발생하는 와류의 분포와 누셀트수 분포를 비교하였다. 이를 통해 말발굽 와류가 생성되는 위치와 누셀트수가 최대값을 가지는 위치가 거의 일치함을 보였다. Won 등(6)은 실험을 통해 레이놀즈수가 변화할 때, 8열의 원형 핀휜이 부착된 내부냉각유로 열전달면에서의 누셀트수를 측정하였다.
Won 등(6)은 실험을 통해 레이놀즈수가 변화할 때, 8열의 원형 핀휜이 부착된 내부냉각유로 열전달면에서의 누셀트수를 측정하였다. 이를 통해 레이놀즈수가 증가할수록 핀휜에 의해 형성되는 말발굽 와류의 강도가 증가함을 확인하였고, 이는 열전달면에서의 누셀트수 증가를 유도함을 밝혔다.
Sahiti 등(9)은 실험을 통해 NACA 익형(airfoil), 랜싯(lancet), 타원형, 원형, 사각형 등 다양한 단면 형태의 핀휜이 부착된 내부냉각유로의 열전달 성능 및 압력강하를 비교하였다. 이를 통해 타원형 핀휜이 다른 형태의 핀휜보다 높은 열전달 성능을 보임과 동시에, 유사한 값의 압력 강하를 나타냄을 보였다. 또한 Chyu 등(10)은 실험을 통해 원형, 정사각형, 마름모형 등 다양한 단면 형태의 핀휜이 부착된 내부냉각유로의 열전달 성능을 측정하였다.
또한 Chyu 등(10)은 실험을 통해 원형, 정사각형, 마름모형 등 다양한 단면 형태의 핀휜이 부착된 내부냉각유로의 열전달 성능을 측정하였다. 그 결과, 마름모형 핀휜이 가장 높은 열전달 성능을 보였으나 압력강하 역시 가장 크게 발생함을 확인하였다.
Figs. 5와 8에서 Re = 5,000 의 경우에 비해 전반적으로 열전달 성능함수의 정량적 크기는 증가한 반면, 압력강하 성능함수의 크기는 감소한 것을 알 수 있다. Fig.
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. 핀휜의 형상과는 무관하게 핀휜 전연부와 측면에서 높은 누셀트수를 갖는 것은 핀휜으로 인해 발생한 경계층 박리가 핀휜 주변에 말발굽 와류(horseshoe vortex)를 발생시키고 이것이 열전달을 증진시키기 때문이다.
핀휜의 형상과는 무관하게 핀휜 전연부와 측면에서 높은 누셀트수를 갖는 것은 핀휜으로 인해 발생한 경계층 박리가 핀휜 주변에 말발굽 와류(horseshoe vortex)를 발생시키고 이것이 열전달을 증진시키기 때문이다.(4) 핀휜 후류에서는 유동의 재순환 (recirculation)으로 인해 누셀트수가 현저하게 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 핀휜 단면 형상 변화에 따라 상이한 분포를 가짐을 확인할 수 있다. 부채꼴 핀휜: B 의 경우 이 후류에서의 열전달 감소가 두 레이놀즈수에서 모두 부채꼴 핀휜: C 에 비해 작게 나타남을 알 수 있다.
부채꼴 핀휜의 단면형상 변화에 따른 성능변화를 살펴보기 위하여 앞전 각도및 뒷전 각도를 매개변수로 하는 19개의 부채꼴 핀휜의 형상에 대하여 열전달 성능, 압력강하 및 열성능에 관한 결과를 도출하여 비교하였다. 본 연구를 통해 레이놀즈수가 5,000과 100,000인 경우에서 부채꼴 핀휜: A-3가 높은 열전달 성능을 나타내는 것을 확인하였으며, 부채꼴 핀휜: A-1에서 압력 강하가 가장 작게 발생하는 것을 알 수있었다. 결과적으로 부채꼴 핀휜: A-1과 A-3의 열 성능이 유사한 값을 가지는 것을 알 수 있었다.
본 연구를 통해 레이놀즈수가 5,000과 100,000인 경우에서 부채꼴 핀휜: A-3가 높은 열전달 성능을 나타내는 것을 확인하였으며, 부채꼴 핀휜: A-1에서 압력 강하가 가장 작게 발생하는 것을 알 수있었다. 결과적으로 부채꼴 핀휜: A-1과 A-3의 열 성능이 유사한 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 레이놀즈수 5,000 에서는 60° 뒷전 각도를 갖는 부채꼴 핀휜: B-3 가 가장 좋은 열전달 성능을 보였고 부채꼴 핀휜: A-1 과 B-3가 공히 가장 좋은 열성능을 나타내었다.
레이놀즈수 100,000 에서도 B-3가 열전달 성능과 열성능에서 공히 가장 우수한 성능을 나타내었다. 앞전과 뒷전 각도를 모두 갖는 부채꼴 핀휜: A 는 원형 핀휜에 비해 작은 열전달계수를 가짐과 동시에 매우 작은 압력계수를 가짐을 확인하였으며, 이로 인해 레이놀즈수 5,000 에서 비교적 높은 열성능을 갖는 것을알 수 있었다. 향후 추가 연구를 통해 열성능을 극대화할 수 있는 부채꼴 핀휜의 최적 형상을 도출할 수 있을 것으로 생각된다.
수렴성을 판별하기 위하여 각 방정식의 잔차(residual)를 10-6 까지 감소시켰으며, 방정식에 의해 계산되는 냉각유로의 입구와 출구의 질량, 운동량 및 에너지의 차이가 1.79% 이하임을 확인하였다. 한번 해석에 소요되는 계산시간은 core i73.
후속연구
앞전과 뒷전 각도를 모두 갖는 부채꼴 핀휜: A 는 원형 핀휜에 비해 작은 열전달계수를 가짐과 동시에 매우 작은 압력계수를 가짐을 확인하였으며, 이로 인해 레이놀즈수 5,000 에서 비교적 높은 열성능을 갖는 것을알 수 있었다. 향후 추가 연구를 통해 열성능을 극대화할 수 있는 부채꼴 핀휜의 최적 형상을 도출할 수 있을 것으로 생각된다. 이와 더불어, 좁은 공간에서 여러 개가 특정한 배열 방식으로 부착되는 핀휜의 특성을 감안하여 볼 때, 여러 개의 핀휜이 부착된 경우에 대한 추가적인 연구가 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
향후 추가 연구를 통해 열성능을 극대화할 수 있는 부채꼴 핀휜의 최적 형상을 도출할 수 있을 것으로 생각된다. 이와 더불어, 좁은 공간에서 여러 개가 특정한 배열 방식으로 부착되는 핀휜의 특성을 감안하여 볼 때, 여러 개의 핀휜이 부착된 경우에 대한 추가적인 연구가 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
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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