[논문]한 면에 리브가 설치된 확대 정사각 채널에서 리브 각이 열전달에 미치는 효과

이명성; 안수환

doi:10.5916/jkosme.2015.39.6.609

한 면에 리브가 설치된 확대 정사각 채널에서 리브 각이 열전달에 미치는 효과
Effects of Rib Angles on Heat Transfer in a Divergent Square Channel With Ribs on One Wall 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.6, 2015년, pp.609 - 613

이명성 (Department of Mechanical & System Engineering. Gyeongsang National University) , 안수환 (Department of Mechanical & System Engineering, Institute of Marine Industry, Gyeongsang National University)

초록
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축방향 거리에 따라 확대되는 정사각 채널에서 발달된 난류유동의 국부 난류 열전달과 압력강하를 실험적으로 조사하였다. 정사각 확대채널에 한 면에만 높이가 10 mm인 리브를 설치하였다. 리브의 충돌 각은 $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$ 그리고 $90^{\circ}$로 한 벽면에 만 설치하였다. 레이놀즈수가 22,000~79,000의 범위에서 실험을 수행하였다. 연구 결과 $45^{\circ}$의 리브 충돌각이 가장 우수한 열전달 성능을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the experiments are performed to investigate the local heat transfer and pressure drops of developed turbulent flows in the diverging square channels along the axial distance. The square divergent channels are manufactured with a fixed rib height (e) = 10 mm. Four different parallel angled ribs ($a=30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, and $90^{\circ}$) are placed on the channel's one-sided wall only. TThe measurement are conducted within the range of Reynolds numbers from 22,000 to 79,000. The results show that a rib angle-of-attack of $45^{\circ}$ produces the best heat-transfer performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구는 완전히 발달된 영역에서 입·출구 수력직경비가 1.33인 4벽면 확대 채널에서 한 벽면에 설치된 리브 충돌각이 열성능에 미치는 효과를 실험적으로 조사하여 최적의 리브 충돌각을 구하는데 목적이 있다.

제안 방법

리브의 충돌 각은 30°, 45°, 60°그리고 90°로 변화를 주었다.
1로 변한다. 시험부 좌우 가열 벽면은 열전도성이 높은 구리판을 여러 영역으로 나누는 구리판법(copper plate method)을 이용하여 10개의 영역으로 구분하여 매 영역마다 1개의 구리판을 설치하고 영역 사이에는 열전도를 방지하기 위해 0.5 mm 두께의 고무 가스켓으로 분리하였다. 가열된 구리판과 리브는 가열되지 않는 벽면으로 복사 손실 열을 최소화하기 위해 매끈하게 제작하였다.
시험부 출구와 송풍기 사이에는 원형 유동직진기 튜브를 두어 송풍기에 의한 스월 효과를 최소화하였다. 시험부의 공기 유량은 시험부 뒤에 설치된 원형 튜브에서 피토관을 사용하여 원관중심에서 벽면까지 국부유속을 측정한 후 심프슨 법칙으로 원관의 체적평균 유속을 구하고 연속법칙으로 사각채널인 시험부의 체적평균 유속을 얻었다. 리브는 한 면에만 설치하고 리브가 설치된 벽은 10 mm x 100 mm x 5 mm(t)의 리브를 연속적으로 배치되었다.
채널 유동의 마찰 계수는 채널 수축과 확대에 의한 동압 성분의 변화 효과를 고려한 전 압력 강하(ΔP_T)의 식 (3)을 이용하여 식(4)와 같이 구했다. 전압의 측정은 벽면에 설치된 압력 탭으로부터 측정한 정압 (static pressure)과 시험부 입구와 출구의 평균유속에 의한 동압(dynamic pressure)을 합한 값으로부터 얻었다. 정압측정용 압력탭은 채널 상부의 단열된 매끈한 벽면에 100 mm 동일 간격의 9개의 구멍을 설치하여 제작하였다.

대상 데이터

아래첨자 ss는 매끈한 원형관을 의미한다. 비교를 위해 레이놀즈수 30,000에서의 Han과 Park [8]의 값과 직선채널 실험값을 포함하였다. 세 가지 채널 모두 90° 채널의 경우 리브가 부착된 면과 매끈한 면의 누셀트수 차이가 가장 작았고 45°, 60°, 30° 순으로 큰 차이가 났다.
여기서 D_ho와 D_hi는 각각 채널 시험부 출구와 입구의 수력직경이다. 작동 유체로는 실내공기를 사용하였고 공기는 시험부 출구 측에 설치된 송풍기에 의해 시험부로 유입되었다. 시험부 출구와 송풍기 사이에는 원형 유동직진기 튜브를 두어 송풍기에 의한 스월 효과를 최소화하였다.
Figure1은 실험 장치를 도식적으로 나타낸 그림이다. 전체 채널 길이는 4,000 mm이고 시험부는 1,000 mm로 하였다. 시험부에는 좌우면에 실리콘 포일 히터를 설치하여 가열하고 상하 양면에는 단열이 되도록 하였다.
전압의 측정은 벽면에 설치된 압력 탭으로부터 측정한 정압 (static pressure)과 시험부 입구와 출구의 평균유속에 의한 동압(dynamic pressure)을 합한 값으로부터 얻었다. 정압측정용 압력탭은 채널 상부의 단열된 매끈한 벽면에 100 mm 동일 간격의 9개의 구멍을 설치하여 제작하였다.
채널구조는 4면 모두 확대되며 입·출구의 수력 직경의 확대비(Dho/Dhi)는 1.33으로 제작하였다.

이론/모형

불확실성은 Kline과 McClintock[7]가 제시하는 방법으로 수행하였고 최대 불확실성은 채널평균 누셀트수에서는 11%와 전 마찰계수에서는 12%이었다.

성능/효과

1) 90° 리브 충돌각의 채널에서 국부 열전달 계수가 유동방향 거리에 따라 가장 크게 변하였고, 리브 충돌각이 작을 수록 작게 나타났다.
2) 90°리브 충돌각의 채널에서 리브가 부착된 면과 매끈한 면의 누셀트 수 차이가 가장 작았고 30° 채널에서 가장 크게 나타났다.
3) 45°리브 충돌각의 채널에서 열전달 성능이 가장 우수하였다.
[2]은 직선 정사각 채널의 실험에서 리브 충돌각 60°~75°에서 열전달계수가 최대값을 가지며, 일정한 유체이송동력 조건에선 충돌각이 30°~45°일 때 최대의 열전달 향상효과가 있었음을 보였다.
[2]의 결과와 다르게 60°에서 가장 높은 누셀트수가 나타났다.
그 결과 시험부 입·출구 수력 직경비가 1.16인 확대 채널일 때 가장 열전달 성능이 높았다.
[4]은 입구영역인 수축/확대 사각 채널에서 채널 입출구 단면적의 비가 국부와 채널 평균 열전달에 미치는 영향을 측정한 바 있다. 그 결과 채널 단면적의 변화는 채널 평균 열전달에 큰 영향을 준다는 것을 입증하였다. 최근에 Lee et al.
세 가지 채널 모두 90° 채널의 경우 리브가 부착된 면과 매끈한 면의 누셀트수 차이가 가장 작았고 45°, 60°, 30° 순으로 큰 차이가 났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈 엔진의 냉각시스템 설계를 위한 연구에는 무엇이 있는가?	가스터빈 엔진의 냉각시스템 설계를 위한 연구들을 보면, 리브(rib)가 설치된 직선의 정사각 채널 의 열전달 향상을 위한 연구로는 Ahn et al [1]이 리브를 한면, 양면, 그리고 4면 모두에 각각 설치하여 리브설치 벽면수에 따른 열 전달과 마찰계수에 관해 연구를 수행하였다. Han et al.[2] 은 직선 정사각 채널의 실험에서 리브 충돌각 60°~ 75°에서 열전달계수가 최대값을 가지며, 일정한 유체이송동력 조건에선 충돌각이 30°~ 45°일 때 최대의 열전달 향상효과가 있었음을 보였다.
	직선 정사각 채널에서 충돌각에 따른 실험결과는 무엇인가?	가스터빈 엔진의 냉각시스템 설계를 위한 연구들을 보면, 리브(rib)가 설치된 직선의 정사각 채널 의 열전달 향상을 위한 연구로는 Ahn et al [1]이 리브를 한면, 양면, 그리고 4면 모두에 각각 설치하여 리브설치 벽면수에 따른 열 전달과 마찰계수에 관해 연구를 수행하였다. Han et al.[2] 은 직선 정사각 채널의 실험에서 리브 충돌각 60°~ 75°에서 열전달계수가 최대값을 가지며, 일정한 유체이송동력 조건에선 충돌각이 30°~ 45°일 때 최대의 열전달 향상효과가 있었음을 보였다.
	리브 충돌각이 45°인 직선채널 내부에 발생하는 유동현상을 조사한 결과는 무엇인가?	[3]은 다양한 난류 모델을 적용하여 리브 충돌각이 45°인 직선채널 내부에 발생하는 유동현상을 조사하였다. 리브에 의하여 편향된 유동은 압력 차이에 의해 발생하는 이차유동구조를 갖게 되고 이러한 이차유동은 열전달의 불균형을 일으킨다.

참고문헌 (8)

S. W. Ahn, H. K. Kang, S. T. Bae, and D. H. Lee, "Heat transfer and friction factor in a square channel with one, two, or four inclined ribbed walls," ASME Journal of Turbomachinery, vol. 130, no. 3, pp. 034501-5, 2008.

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J. C. Han, S. Ou, J. S. Park, and C. Lei, "Augmented heat transfer in rectangular channels of narrow aspect ratios with rib turbulators," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 32, no. 9, pp. 1619-1630, 1989.

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K. Hermanson, S. Parneix, J. Wolfersdorf and K. Semmler, "Prediction of pressure loss and heat transfer in internal cooling passages," Annals of the New York Academy of Sciences, vol. 934, no. 1, pp. 448-455, 2001.

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L. Wang, W. Tao, Q. Wang, and T. T. Wong, "Experimental study of developing turbulent flow and heat transfer in ribbed convergent/divergent square ducts," International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 22, no. 6, pp. 603-613, 2001.

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M. S. Lee, S. S. Jeong, S. W. Ahn, and J. C. Han, "Heat transfer and friction in rectangular convergent and divergent channels with ribs," AIAA Journal of Thermophysics and Heat Transfer, vol. 27, no. 4, pp. 660-667, 2013.

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M. S. Lee, S. S. Jeong, S. W. Ahn, and J. C. Han, "Effects of angled ribs on turbulent heat transfer and friction factors in a rectangular divergent channel," International Journal of Thermal Sciences, vol. 84, pp. 1-8, 2014.

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S. J. Kline and F. A. McClintock, "Describing uncertainty in single sample experiments," Mechanical Engineering, vol. 75, pp. 3-8, 1953.
J. C. Han and J. S. Park, "Developing heat transfer in rectangular channels with rib turbulators," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 31, no. 1, pp. 183-195, 1988.

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