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문제 정의
- 본 연구에서는 항공기용 열교환기의 설계를 하기 위한 디자인을 효과적인 수치해석 방법을 통하여 검증하였다. 이를 위하여 다공성 매질해석 방법을 사용하여 열교환기의 압력강하 및 열전달 성능을 계산하고 기존 개발된 1차원 열 유동 네트워크를 통한 계산 결과와 비교하여 각 형상과 수치해석 모델의 장단점을 분석하였다.
가설 설정
- 1번 노드와 26번 노드는 입ㆍ출구의 매니폴드(manifold)를 나타낸다. 본 연구에서는 균일한 분포를 가지는 매니폴드로 가정했다. 각가의 토폴로지는 하나의 층(Layer)을 이루게 되며 네트워크를 구성하게 되는 가지들은 각각 대향유동으로 구성하게 된다.
제안 방법
- 본 연구에서는 사용된 주름진 형상의 판형 열교환기의 전체 크기 모델에 대하여 압력강하 및 열전달 성능을 계산하고, 1차원 열유동 네트워크 프로그램 및 다공성 매질 해석 방법을 사용하여 사용된 모델들의 정확성을 비교분석하였다.
- McDonald et al.(1-2)은 1960년대부터 이루어진 재열기의 성능실험을 통한 발전 경향과 엔진설계 연구의 결과를 분석하였다.
- (3)은 최근 발표된 고온, 고압 조건의 가스 터빈 엔진에 관한 연구를 분석하였고 이를 토대로 가스 터빈 엔진의 열교환기, 공기 냉각 및 인터쿨러 열교환기의 잠재적인 디자인을 제안하였다. Stasiek et al.
- (4) Ciofalo et al.(5)은 다양한 Reynolds 수에서 교차 주름진 판형 열교환기의 연구를 실험 및 수치해석을 통하여 진행, 비교하였다. 또한 Stasiek(6)은 실험을 통하여 교차 주름진 판형 열교환기 내부에서의 유동 및 열전달 해석을 수행하였다.
- Doo et al.(7)은 CFD를 통하여 판형 열교환기의 다양한 작동 조건에서 길이 방향으로의 열전도를 포함한 열전달량을 정량적으로 분석하였다. 또 Doo et al.
- 또 Doo et al.(8-9)은 위 아래 면이 교차주름진 형상인 판형 열교환기의 유닛 셀에서 수치 해석을 통하여 최적화 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 항공기용 열교환기의 설계를 하기 위한 디자인을 효과적인 수치해석 방법을 통하여 검증하였다. 이를 위하여 다공성 매질해석 방법을 사용하여 열교환기의 압력강하 및 열전달 성능을 계산하고 기존 개발된 1차원 열 유동 네트워크를 통한 계산 결과와 비교하여 각 형상과 수치해석 모델의 장단점을 분석하였다.
- 이러한 효과는 가스터빈 사이클의 효율을 증가시키고 토출되는 가스의 온도를 낮추어 무인항공기의 비행 임무의 시간을 증가시키고 레이더가 탐지하게 힘들게 만들어준다. 이러한 열교환기는 필요효율(effectiveness)이 상당이 높아야 하므로 본 연구에서는 여러 열교환기들 중 많은 장점을 보유 한 주름진 형상이 교차(cross-corrugated)하는 판형 열교환기를 적용하여 계산하였다. Fig.
- 1(b)는 판형 열교환기를 구성하는 단일 셀을 확대하여 나타낸 그림이다. 이렇게 복잡한 형상의 열교환기를 직접 full-scale로 해석을 하기 위해서는 많은 시간 및 컴퓨터 리소스등의 자원이 필요하기 때문에 본 연구에서는 1차원 열유동 네트워크 및 다공성 매질(porous media) 해석 방법을 사용하여 판형 열교환기를 해석하였다. 본 연구에서는 사용된 주름진 형상의 판형 열교환기의 전체 크기 모델에 대하여 압력강하 및 열전달 성능을 계산하고, 1차원 열유동 네트워크 프로그램 및 다공성 매질 해석 방법을 사용하여 사용된 모델들의 정확성을 비교분석하였다.
- Kirchhoff 법칙으로 에너지 및 질량유량 평형을 유지하는 것을 확인하고 뉴튼-랩손 반복법을 사용하여 계산을 수렴시킨다. 먼저 CFD 계산등을 통하여 unit cell의 Fanning friction factor와 Nusselt 수를 구한 후 이 값들을 상관식의 형태로 각 가지에 적용하며 유체의 물성치는 두 개의 노드를 연결하는 가지에서 평균 온도를 사용하여 계산한다.
- 다공성 매질 해석 방법은 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하여 해석하였으며, FLUENT 프로그램에서 사용된 수식은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 1차원 열유동 네트워크 프로그램을 사용한 결과와 비교 및 검증하기 위하여 다공성 매질 수치 모델 결과를 이용하였다. Fig.
- 3(b)는 판형열 교환기의 세부사항을 모두 포함하는 전체 모델으로 입출구의 형상 변화 및 복잡한 가이드 베인 형상 등을 포함하고 있다. 두 모델의 계산 결과를 직접 비교하기 위하여 단순화 된 모델과 전체 모델의 열교환기 치수를 같게 적용하였다. 계산시간이 작은 간소화된 모델을 이용하여 1차원 열유동 네트워크 프로그램과 결과 값을 비교하고 최종적으로 전체 모델과 1차원 열유동 네트워크 프로그램을 비교함으로써 1차원 열유동 네트워크 프로그램의 정확성과 사용 범위를 파악하였다.
- 두 모델의 계산 결과를 직접 비교하기 위하여 단순화 된 모델과 전체 모델의 열교환기 치수를 같게 적용하였다. 계산시간이 작은 간소화된 모델을 이용하여 1차원 열유동 네트워크 프로그램과 결과 값을 비교하고 최종적으로 전체 모델과 1차원 열유동 네트워크 프로그램을 비교함으로써 1차원 열유동 네트워크 프로그램의 정확성과 사용 범위를 파악하였다.
- 본 연구에서는 판형열교환기의 효율을 1차원 열유동 네트워크 프로그램, 다공성 매질 해석 방법을 사용한 간편화된 모델과 전체 모델을 통하여 계산 및 비교 분석 하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 유추 할 수 있었다.
데이터처리
- (10)은 1차원 유동 네트워크 및 ε-NTU 모델을 통하여 주름진 형상의 판형 열교환기의 단일 셀의 (unitary cell) 수치해석을 진행하였다. 실험 결과와 비교를 통하여 코드 검증을 완료하였다.
이론/모형
- 상용 코드인 FLUENT를 이용하여 본 연구의 수치 계산을 진행하였으며, 난류 모델은 Low-Reynolds number k-ε 모델을 사용하였다.
- 상용 코드인 FLUENT를 이용하여 본 연구의 수치 계산을 진행하였으며, 난류 모델은 Low-Reynolds number k-ε 모델을 사용하였다. 운동량과 에너지 수송식의 공간 이산화를 위하여 2차 풍상차분법을 사용하였다. 본 연구에서 사용되어진 변수는 다음과 같다.
- Kirchhoff 법칙으로 에너지 및 질량유량 평형을 유지하는 것을 확인하고 뉴튼-랩손 반복법을 사용하여 계산을 수렴시킨다. 먼저 CFD 계산등을 통하여 unit cell의 Fanning friction factor와 Nusselt 수를 구한 후 이 값들을 상관식의 형태로 각 가지에 적용하며 유체의 물성치는 두 개의 노드를 연결하는 가지에서 평균 온도를 사용하여 계산한다.
성능/효과
- 본 연구에서 사용된 교차주름의 판형 열교환기는 다른 열교환기 형상이나 타입에 비해 우수한 열공력 성능을 지니고 있기 때문에 그에 따른 열교환기의 경량 설계가 가능하다는 장점이 있다. 이는 교차주름의 판형 열교환기의 열전달 표면에 형성된 주름이 열적 경계층을 붕괴(break-up) 및 재부착(re-attachment) 시키고 선회유동(swirl flow)과 같은 이차유동을 발생시키고 이러한 현상들은 열교환기 내부의 열전달 성능을 매우 향상시키는 역할을 한다.
- 이는 교차주름의 판형 열교환기의 열전달 표면에 형성된 주름이 열적 경계층을 붕괴(break-up) 및 재부착(re-attachment) 시키고 선회유동(swirl flow)과 같은 이차유동을 발생시키고 이러한 현상들은 열교환기 내부의 열전달 성능을 매우 향상시키는 역할을 한다. 또한 열전달 표면 근처에서 발생되는 높은 전단응력과 난류생성 그리고 유동의 혼합은 유로 내에서의 파울링(fouling)의 생성을 효과적으로 줄여준다. 이러한 특성 덕분에 교차주름의 판형 열교환기는 더 작은 수력직경을 가지는 열교환기 설계를 가능하게 한다.
- (1) 1차원 열유동 네트워크 프로그램은 빠른 계산시간에 비해 매우 정확한 계산 결과를 보여주는 것을 알 수 있다.
- (2) 간편화 된 모델을 다공성 매질 해석방법을 이용하여 계산 한 결과 값은 1차원 열유동 네트워크 프로그램을 통하여 얻은 계산 결과와 매우 근사했다. 이는 간단한 형상의 경우 1차원 열유동 네트워크 프로그램이 매우 정확한 값을 계산 할 수 있다.
- (3) 하지만 전체 모델의 경우 간편화된 모델 계산결과와 1차원 열유동 네트워크 프로그램 계산결과와는 큰 차이를 보이는 것이 확인 되었다. 이는 전체 모델은 실제 형상과 유사한 모델링을 통하여 복잡한 형상이 포함되어 있어 형상 손실이 더 많은 곳에서 발생하기 때문이다.
- 본 연구에서는 다공성 매질 해석 방법을 이용하여 간편화 된 모델을 해석하는 것과 1차원 열유동 네트워크 프로그램의 결과가 매우 근사하기 때문에 형상이 간단한 경우 복잡한 3차원 수치해석을 진행하지 않고 1차원 열유동 네트워크를 통하여 계산을 하여도 정확한 결과 값을 유추할 수 있다는 사실을 확인하였다.
후속연구
- 하지만 현재의 1차원 열유동 네트워크 프로그램은 형상이 간단한 경우 정확한 계산이 가능하나, 복잡한 형상의 경우 부수적으로 형상 손실 계수를 추가하여 계산을 하여야 보다 정확한 값을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
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