[논문]마이크로채널 내의 FC-72 흐름응축에 관한 수치적 연구

김성민

doi:10.5407/jksv.2015.13.1.030

마이크로채널 내의 FC-72 흐름응축에 관한 수치적 연구
Numerical Study on FC-72 Condensing Flow in a Micro-Channel 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.13 no.1, 2015년, pp.30 - 34

김성민 (School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study concerns flow and heat transfer characteristics of FC-72 condensing flow in a micro-channel. A computational model of condensing flow with a hydraulic diameter of 1 mm is constructed using the FLUENT computational fluid dynamics code. The computed void fraction contour plots are presented for different mass velocities. The smooth-annular, wavy-annular, transition and slug flows are observed with the model, which are quite similar to those observed in a micro-channel experiment. The computed two-phase condensing heat transfer coefficient is compared with previous empirical correlation for two-phase condensation heat transfer in micro-channels.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 고열유속으로 인해 작동유체의 드라이아웃에 의한 채널의 멜트다운이 발생될 수도 있다⁽¹⁾. 따라서 고성능 마이크로채널 응축기의 설계를 위해 채널내 압력강하와 응축 열전달을 정확하게 예측할 수 있는 예측도구가 필요하며, 최근의 연구는 미니채널 및 마이크로채널에 적용 가능한 일반화된 상관식을 개발하는데 초점을 두었다^(3,4).
본 연구에서는 마이크로채널 내의 흐름응축시 나타나는 유동 및 열전달 특성을 CFD프로그램인 ANSYS FLUENT를 이용하여 수치해석적으로 연구하였다. 마이크로채널 흐름응축 실험에서 관찰되는 유동패턴인 smooth-annular, wavy-annular, transition 및 slug유동을 수치해석 결과에서도 확인할 수 있었다.
마이크로채널 응축기의 설계를 위해 정확한 예측도구의 개발도 필요하지만, 액막과 증기코어 경계면의 파동현상, 복잡한 난류 구조 및 흐름응축시 다양한 유동 패턴을 이해하는 것도 중요하다. 본 연구에서는 상용 CFD 프로그램인 ANSYS FLUENT⁽⁵⁾를 이용하여 마이크로채널 내의 흐름 응축시 유동패턴과 열전달 특성을 수치해석적으로 연구하였다.

제안 방법

현재 수치해석모델에 의한 계산결과의 신뢰성을 조사하기 위해 미니채널 및 마이크로채널에 적용 가능한 일반화 된 응축 열전달 계수 상관식(2)을 이용해서 얻은 응축 연전달 계수 결과와 비교하였다. Table 1에는 일반화된 응축 열전달 계수 상관식이 정리되어 있다.

대상 데이터

길이 200 mm이고 수력직경 1 mm인 마이크로 채널이 해석에 사용되었다. 격자 시스템은 모두 82,205개의 노드, 80,160개의 셀로 이루어져 있으며, 벽면에서는 격자셀의 간격이 작으며 증기코어에서는 성긴, 비균일 사변형 격자가 사용되었다. 채널입구에는 과열기체상태의 FC-72가 유입 되며, 채널 벽에서의 냉각에 의해 기체상 FC-72의 응축이 일어난다.
1은 해석에 사용된 이차원 격자 시스템을 나타낸다. 길이 200 mm이고 수력직경 1 mm인 마이크로 채널이 해석에 사용되었다. 격자 시스템은 모두 82,205개의 노드, 80,160개의 셀로 이루어져 있으며, 벽면에서는 격자셀의 간격이 작으며 증기코어에서는 성긴, 비균일 사변형 격자가 사용되었다.
채널입구에는 과열기체상태의 FC-72가 유입 되며, 채널 벽에서의 냉각에 의해 기체상 FC-72의 응축이 일어난다. 채널 벽에서 거칠기 높이, 거칠기 상수 및 접촉각은 0 m, 0.5 및 90^o가 각각 사용되었다. 마이크로채널 내 FC-72흐름응축 실험^(9,10)과 비슷한 조건을 만들기위해 열유속값은 G = 61 kg/m²s 인 경우 #, G = 369 kg/m²s 인 경우 #의 값을 사용하였다.

이론/모형

FLUENT 프로그램의 pressure-based solver가 사용되었으며, 이상유동 모델로는 explicit VOF 모델이, volume fraction cutoff와 Courant 수는 각각 1×10-6와 0.25가 사용되었다.
Shear Stress Transport (SST) k-ω난류모델이 사용되었고(12), 표면장력 계산을 위해 Continuum Surface Force (CSF) 모델이 사용되었다(13).
Shear Stress Transport (SST) k-ω난류모델이 사용되었고⁽¹²⁾, 표면장력 계산을 위해 Continuum Surface Force (CSF) 모델이 사용되었다⁽¹³⁾. 속도와 압력의 coupling을 위해 Pressure Implicit with Splitting of Operators (PISO) 기법⁽¹⁴⁾이 사용되었고, 기울기, 압력, 운동량, volume fraction 및 에너지의 이산화를 위해 각각 Least Squares Cell Based, PRESTO, QUICK, Geo-Reconstruct 및 Second order upwind 기법이 사용되었다.
를 이용하여 설명할 수 있다. 액체상과 기체상의 질량전달을 포함한 연속방정식은 다음과 같으며⁽⁵⁾, 상용코드인 FLUENT의 Volume-of-Fluid (VOF) 방법⁽⁶⁾을 이용하여 계산하였다.
응축에 의한 상변화 과정을 모사하기 위해 Lee⁽⁷⁾가 제안한 상변화 모델을 사용하였다. Lee의 모델은 일정압력과 준열평형상태에서의 질량 전달을 가정하였으며 다음과 같다.
채널 입구근처에서 연속적인 액막을 생기게 하고 수렴 시간을 줄이기 위해, Lee 등(11)의 방식을 따라서, 매우 얇고 균일한 두께를 갖는 50 μm의 액막을 z = 10 mm 부터 50 mm까지의 구간에 초기값으로 사용하였다.

성능/효과

하류로 갈수록 액막은 더욱 두꺼워지고 transition 유동이 생긴다. 결과적으로 하류에서 slug 유동이 발생되고, 원통형 기포의 길이가 점차로 줄어들며, 채널 직경에 가까운 구형의 기포로 크기가 줄어든다. 채널의 길이가 충분히 긴 경우, 결과적으로 모든 기포는 응축되며 순수액체유동으로 바뀐다.
마이크로채널 흐름응축 실험에서 관찰되는 유동패턴인 smooth-annular, wavy-annular, transition 및 slug유동을 수치해석 결과에서도 확인할 수 있었다. 또한 수치해석 모델에 의해 얻어진 응축 열전달 계수 값은, 마이크로채널에 적용 가능한 일반화된 응축 열전달 계수 상관식을 이용해서 얻은 값과 비슷한 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로 채널을 이용한 이상 유동 비등열전달이 제한된 표면에서 많은 양의 열에너지를 제거하기에 적합한 이유는?	고성능 컴퓨터, 핵융합로, 전기/하이브리드 차량, 로켓 노즐, 항공기 전자기기, 우주 시스템, 고출력 레이져 무기 및 마이크로웨이브 방어체계 같은 현대 기술의 발전을 위해서는 제한된 표면에서 집적된 열부하를 제거하는 기술의 개발이 반드시 필요하다. 마이크로 채널을 이용한 이상 유동 비등열전달은 작동유체의 잠열을 이용하기 때문에, 제한된 표면에서 많은 양의 열에너지를 제거하기에 매우 적합한 방식이다. 그리고 비교적 소형의 냉각수 저장공간이 필요하기 때문에 전체 냉각 시스템의 소형화가 가능하고, 마이크로 채널은 제작이 상대적으로 용이하기 때문에, 다양한 첨단 기계의 냉각에 마이크로채널을 이용한 냉각시스템이 사용되고 있다(1).
	다양한 첨단 기계의 냉각에 마이크로채널을 이용한 냉각시스템의 발전을 위해 필요한 것은?	앞서 언급한 첨단 기술의 발전을 위해서는 소형 냉동 사이클이 필요하고, 이때 소형 증발기의 성능에 상응하는 수준의 고성능 소형 응축기를 필요로 한다. 마이크로채널을 이용한 응축 열전달 시스템은 고열유속 냉각을 위한 적합한 방식이다.
	마이크로채널을 이용한 응축 열전달 시스템은 무엇에 적합한 방식인가?	앞서 언급한 첨단 기술의 발전을 위해서는 소형 냉동 사이클이 필요하고, 이때 소형 증발기의 성능에 상응하는 수준의 고성능 소형 응축기를 필요로 한다. 마이크로채널을 이용한 응축 열전달 시스템은 고열유속 냉각을 위한 적합한 방식이다. 마이크로채널에서 응축 열전달은 채널의 직경이 작아질수록 증가하지만, 채널내의 압력강하가 급격하게 증가할 수 있기 때문에 주의가 필요하다(2).

참고문헌 (14)

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Kim, S.M., Mudawar, I., 2014, "Review of databases and predictive methods for pressure drop in adiabatic, condensing and boiling mini/microchannels flows," Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.77, pp.74-97.

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Kim, S.M., Mudawar, I., 2012, "Universal approach to predicting two-phase frictional pressure drop for adiabatic and condensing mini/micro-channel flow," Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.55, pp.3246-3261.

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Kim, S.M., Mudawar, I., 2012, "Flow condensation in parallel micro-channels - Part 1: Experimental results and assessment of pressure drop correlations," Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.55, pp.971-983.

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Kim, S.M., Mudawar, I., 2012, "Flow condensation in parallel micro-channels - Part 2: Heat transfer results and correlation technique," Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.55, pp.984-994.

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Lee, H., Kharangate, C.R., Mascarenhas, N., Park, I., Mudawar, I., 2015, "Experimental and computational investigation of vertical downflow condensation," Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.85, pp.865-879.

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