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문제 정의
- 본 논문에서는 이물질이 OSF 열교환기의 유로를 막아서 생기는 성능 저하를 최소화하기 위한 새로운 OSF 형상을 제안하였다. 새로운 형상을 가지는 OSF에 대하여 성능을 CFD와 실험을 통하여 평가하였으며 기존 상관식과의 비교를 통하여 기존 상관식의 적용 가능성을 평가하였다.
가설 설정
- 공기의 유동은 난류, 비압축성이라고 가정하여 정상 상태 해석을 수행하였다. 유체의 유동은 아래의 NavierStokes 방정식을 이용하여 해석 할 수 있다.
제안 방법
- 각각의 변수에 대하여 Taguchi 실험계획법을 사용하여 모두 25가지 모델을 결정하고 Table 2에 나타내었다. 핀 간격(s)은 1~2 mm, 핀 두께(t)는 0.1~0.2 mm, 핀 높이(h)는 4~8 mm, 핀 길이(l)는 4~12 mm 그리고 핀과 핀 사이의 간격(g)은 0~3 mm로 범위를 설정하였으며 각각의 변수를 5 level로 두고 모델을 개발하였다.
- 4에 나타내었다. OSF의 입구와 출구사이의 압력 강하를 측정하였으며 유량 측정을 위하여 British Standard(8) 규격으로 제작된 오리피스를 설치하였다. 실험은 레이놀즈 수 범위 2000~8000사이에서 진행되었다.
- 8은 핀과 핀 사이의 간격이 0인 경우인 일반적인 OSF의 성능 해석 결과를 보여주고 있다. 기존의 OSF에 적용되는 Manglik과 Bergles 상관식과 비교하였다. 간극이 없는 OSF 형상에 대한 열전달 및 압력강하 계산값은 Manglik과 Bergles 상관식의 예측값과 ± 20%이내에서 잘 일치한다.
- 10은 핀과 핀 사이의 거리가 OSF 성능예측에 미치는 영향을 보여주고 있다. 동일한 OSF 형상 정의를 사용하기 위하여 case 12를 기준으로 하여 핀과 핀 사이의 거리만 변경하여 해석을 진행하였다. f-factor값이 Manglik과 Bergles 상관식과의 차이가 나타나는 이유는 식(8)에서 열교환기의 길이(L)가 핀과 핀 사이의 증가량만큼 커지게 되어 CFD 해석에 의한 f-factor가 상관식으로 계산한 값보다 작게 계산되기 때문이다.
- 새로운 OSF 형상의 성능을 CFD로 해석하고 결과를 검증하기 위하여 압력 강하 실험을 수행하였다. 20열의 OSF으로 이루어진 열교환기(전체 모델, full model)를 사용하여 실험하였으며 사용된 OSF 형상정보는 Table 1에 제시하였다.
- 본 논문에서는 이물질이 OSF 열교환기의 유로를 막아서 생기는 성능 저하를 최소화하기 위한 새로운 OSF 형상을 제안하였다. 새로운 형상을 가지는 OSF에 대하여 성능을 CFD와 실험을 통하여 평가하였으며 기존 상관식과의 비교를 통하여 기존 상관식의 적용 가능성을 평가하였다.
- 새로운 형상은 핀의 열과 열사이에 거리를 두어 이물질이 지날 수 있도록 하였다. 새로운 형상의 OSF에 대하여 CFD로 성능을 평가 하였으며 압력 강하 실험을 통하여 CFD 해석 결과를 검증하였다. CFD 해석 결과와 실험 결과는 5%차이 이내에서 잘 일치하였다.
- 20열의 OSF으로 이루어진 열교환기(전체 모델, full model)를 사용하여 실험하였으며 사용된 OSF 형상정보는 Table 1에 제시하였다. 압력 강하 실험을 위하여 개방형 풍동을 사용하였다. 실험 장치는 Fig.
- 열교환기의 입·출구 온도 차이를 사용하여 열교환기에서 일어난 열전달량을 계산하였다.
- 그 결과 단위형상 모델에서의 f-factor는 전체 모델에서의 f-factor보다 작게 나타나며 그 차이가 약 4%이내인 것은 타당한 것으로 판단된다. 이 결과를 바탕으로 본 연구에서는 OSF 성능 해석에는 단위형상 모델을 사용하여 해석을 진행 하였다.
- 이물질에 의하여 OSF 내부에서의 유로 막힘 현상을 방지하기 위한 형상을 제안하였다. 새로운 형상은 핀의 열과 열사이에 거리를 두어 이물질이 지날 수 있도록 하였다.
- 질량, 운동량, 에너지 그리고 난류항 방정식에 대하여 2차 상류차분을 사용하여 해석을 수행하였고 각각의 방정식에 대하여 잔차가 1.0×10-6 이하가 되면 해석이 수렴한 것으로 판단하였다.
대상 데이터
- 새로운 OSF 형상의 성능을 CFD로 해석하고 결과를 검증하기 위하여 압력 강하 실험을 수행하였다. 20열의 OSF으로 이루어진 열교환기(전체 모델, full model)를 사용하여 실험하였으며 사용된 OSF 형상정보는 Table 1에 제시하였다. 압력 강하 실험을 위하여 개방형 풍동을 사용하였다.
- OSF의 입구와 출구사이의 압력 강하를 측정하였으며 유량 측정을 위하여 British Standard(8) 규격으로 제작된 오리피스를 설치하였다. 실험은 레이놀즈 수 범위 2000~8000사이에서 진행되었다. 압력 강하 실험에 대한 오차는 3.
- (7)의 연구 결과를 바탕으로 OSF 형상에서 열전달 및 압력 강하를 가장 잘 모의하는 SST kω 모델을 사용하였다. 입구에서 등속(1.4~5.8 m/s), 등 온조건(Tin = 328 K)을 설정하였다. 벽면에는 등온조건 (Twall = 413 K) 사용하여 열량을 공급을 모의하였다.
- 전체 모델 CFD 해석에서는 20열의 OSF을 해석 대상으로 사용하였다. 이 경우 격자 수가 1,300만개 이상으로 생성된 유동 영역을 해석하기 위해서는 많은 시간과 높은 컴퓨터 성능을 필요로 한다.
데이터처리
- 이 경우 격자 수가 1,300만개 이상으로 생성된 유동 영역을 해석하기 위해서는 많은 시간과 높은 컴퓨터 성능을 필요로 한다. 해석 시간과 컴퓨터 성능 요구를 줄이기 위하여 2열의 OSF만을 모델링한 단위형상 모델(unitcell model)을 해석하여 전체 모델과 비교하였다. 단위형상 모델의 경우 유동과 열전달 해석에 대하여 한번 수렴을 시킨 뒤 출구의 결과를 다시 입구에 적용시켜 반복 계산하였다.
이론/모형
- (7)의 연구 결과를 바탕으로 OSF 형상에서 열전달 및 압력 강하를 가장 잘 모의하는 SST kω 모델을 사용하였다.
- 25 mm로 가정한 열교환기에 대하여 각각의 형상조건에서 동일한 성능을 보이는 열교환기의 부피 및 무게에 대한 성능 예측을 수행한 결과이다. 성능 예측은 기존의 OSF에 대한 Manglik과 Bergles 상관식(5)으로 압력 강하와 열전달에 대한 성능을 계산하였다. (a)의 경우 열교환기의 부피나 무게가 가장 작게 나타났지만 이물질이 유로를 막는 현상이 발생한다.
- 0×10-6 이하가 되면 해석이 수렴한 것으로 판단하였다. 속도-압력 연계 해석은 SIMPLEC 알고리즘을 사용하였으며 선정한 난류 모델은 Kim et al.(7)의 연구 결과를 바탕으로 OSF 형상에서 열전달 및 압력 강하를 가장 잘 모의하는 SST kω 모델을 사용하였다.
- 공기의 유동은 난류, 비압축성이라고 가정하여 정상 상태 해석을 수행하였다. 유체의 유동은 아래의 NavierStokes 방정식을 이용하여 해석 할 수 있다. 유체흐름의 질량, 운동량, 에너지 보존방정식을 식(1)~식(3)에 나타내었다.
성능/효과
- Fig. 10(a)의 결과에서 핀과 핀 사이의 거리가 각각 0.75, 1.5, 2.25 그리고 3 mm일 때 열교환기의 길이는 각각 7.5, 15, 22.5 그리고 30% 늘어났으며 그 결과 CFD 해석에 의한 f-factor 값이 핀과 핀 사이의 거리가 0 mm 일 때의 계산 결과보다 각각 11.3, 16.3, 20.6 그리고 23.8% 감소하였다. 핀과 핀 사이의 거리가 j-factor에 미치는 영향은 식(5)를 이용하여 예측할 수 있다.
- (a)의 경우 열교환기의 부피나 무게가 가장 작게 나타났지만 이물질이 유로를 막는 현상이 발생한다. 유로의 막힘이란 OSF 내부에 (b)의 경우 유로 막힘 현상이 나타나지 않았지만 동일한 성능을 나타내기 위해서는 (a)의 경우보다 열교환기의 부피나 무게가 70~100% 증가하였다. (c)의 경우 열교환기의 부피나 무게가 (a)의 경우 보다 최대 10% 증가 하는 것으로 나타났다.
- 새로운 형상의 OSF에 대하여 CFD로 성능을 평가 하였으며 압력 강하 실험을 통하여 CFD 해석 결과를 검증하였다. CFD 해석 결과와 실험 결과는 5%차이 이내에서 잘 일치하였다.
- Manglik과 Bergles 상관식으로 핀과 핀 사이의 거리를 가지는 OSF에 대한 압력 강하 성능 예측한 값은 CFD 결과와 20%가 넘는 오차를 보였다. 그것은 기존의 Manglik과 Bergles 상관식에는 핀과 핀 사이의 거리에 의한 성능 변화가 포함되어 있지 않기 때문이다.
- 3%가 증가한다. 그 결과 CFD 해석에 의한 j-factor 값은 핀과 핀 사이의 거리가 0 mm일 때의 계산 결과보다 2.7, 3.9, 5.1 그리고 6.2% 감소하였다.
- 전체 모델에서는 입구효과가 나타나지만 단위형상 모델에서는 입·출구에 periodic 경계조건을 사용하므로 완전 발달 영역에서의 결과를 주게 된다. 그 결과 단위형상 모델에서의 f-factor는 전체 모델에서의 f-factor보다 작게 나타나며 그 차이가 약 4%이내인 것은 타당한 것으로 판단된다. 이 결과를 바탕으로 본 연구에서는 OSF 성능 해석에는 단위형상 모델을 사용하여 해석을 진행 하였다.
- 압력 강하 비교에서 SST k-ω 난류 모델을 사용하여 CFD를 해석한 결과와 실험 값과의 차이가 5% 이내로 잘 일치한다.
- 기존의 Manglik과 Bergles 상관식과 비교하였을 때 f-factor 값의 차이가 크게 나타났다. 특히 핀과 핀 사이의 거리가 존재하면 Manglik과 Bergles 상관식이 압력 강하의 예측을 과도하게 하는 것으로 나타났다. Fig.
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