이명성
(Gyeongnam Institute for Regional Program Evaluation)
,
유지의
(Department of Mechanical & System Engineering, Gyeongsang National University)
,
정희재
(Department of Mechanical & System Engineering, Gyeongsang National University)
,
최동근
(Department of Mechanical & System Engineering, Gyeongsang National University)
,
하동준
(Department of Mechanical & System Engineering, Gyeongsang National University)
,
고진수
(Department of Mechanical & System Engineering, Gyeongsang National University)
,
안수환
(Department of Mechanical & System Engineering, Institute of Marine Industry, Gyeongsang National University)
양 벽면이 수축되는 채널에서 ${\vee}/{\wedge}$형 리브의 각도가 열전달에 미치는 효과를 실험적으로 조사하였다. 한 벽면에만 설치된 ${\vee}/{\wedge}$형 리브의 충돌 각은 각각 $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$ 그리고 $90^{\circ}$이다. 리브의 높이(e)는 10 mm 그리고 리브 간격(p)과 높이(e)비는 10으로 제작하였다. 길이가 1,000 mm인 시험 부는 입구의 단면적은 $100mm{\times}100mm$, 출구는 $50mm{\times}100mm$으로 제작하였다. 레이놀즈수가 22,000에서 75,000까지의 범위에서 실험을 수행하였다. 연구결과 전체적으로 레이놀즈 수가 높을수록 누셀트 수가 컸고, ${\wedge}$형 $45^{\circ}$ 리브가 가장 누셀트 수가 컸다.
양 벽면이 수축되는 채널에서 ${\vee}/{\wedge}$형 리브의 각도가 열전달에 미치는 효과를 실험적으로 조사하였다. 한 벽면에만 설치된 ${\vee}/{\wedge}$형 리브의 충돌 각은 각각 $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$ 그리고 $90^{\circ}$이다. 리브의 높이(e)는 10 mm 그리고 리브 간격(p)과 높이(e)비는 10으로 제작하였다. 길이가 1,000 mm인 시험 부는 입구의 단면적은 $100mm{\times}100mm$, 출구는 $50mm{\times}100mm$으로 제작하였다. 레이놀즈수가 22,000에서 75,000까지의 범위에서 실험을 수행하였다. 연구결과 전체적으로 레이놀즈 수가 높을수록 누셀트 수가 컸고, ${\wedge}$형 $45^{\circ}$ 리브가 가장 누셀트 수가 컸다.
The effect of the rib angle-of-attack on heat transfer in the convergent channel with ${\vee}/{\wedge}$-shaped ribs was examined experimentally. Four differently angled ribs (a = $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, and $90^{\circ}$) were p...
The effect of the rib angle-of-attack on heat transfer in the convergent channel with ${\vee}/{\wedge}$-shaped ribs was examined experimentally. Four differently angled ribs (a = $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, and $90^{\circ}$) were placed to only the one sided wall. The ribbed wall was manufactured with a fixed rib height (e) of 10 mm and rib spacing (p)-to-height (e) ratio of 10. The convergent channel had a length of 1,000 mm and a cross-sectional areas of $100mm{\times}100mm$ at inlet and $50mm{\times}100mm$ at exit. The measurement was conducted for the Reynolds numbers ranging from 22,000 to 75,000. The results show that the Nusselt number is generally higher at higher Reynolds number and that an angle-of-attack of $45^{\circ}$ at the ${\wedge}$-shaped rib produces the greatest Nusselt number.
The effect of the rib angle-of-attack on heat transfer in the convergent channel with ${\vee}/{\wedge}$-shaped ribs was examined experimentally. Four differently angled ribs (a = $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$, and $90^{\circ}$) were placed to only the one sided wall. The ribbed wall was manufactured with a fixed rib height (e) of 10 mm and rib spacing (p)-to-height (e) ratio of 10. The convergent channel had a length of 1,000 mm and a cross-sectional areas of $100mm{\times}100mm$ at inlet and $50mm{\times}100mm$ at exit. The measurement was conducted for the Reynolds numbers ranging from 22,000 to 75,000. The results show that the Nusselt number is generally higher at higher Reynolds number and that an angle-of-attack of $45^{\circ}$ at the ${\wedge}$-shaped rib produces the greatest Nusselt number.
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문제 정의
이에 본 연구의 목적은 양 벽면이 수축되는 사각 채널내 한 면에 설치된 ∨/∧형 리브에서 30o, 45o, 그리고 60o인 리브 충돌각이 열전달과 마찰계수에 미치는 효과를 실험적으로 조사하여 최적 설계를 구하는데 있다.
제안 방법
리브는 한면에만 설치하고 리브가 설치된 벽은 Figure 2(a)와 같이 10 mm x 10 mm(t)의 리브를 연속적으로 배치되었다. 리브의 충돌 각은 30o, 45o 그리고 60o로 변화를 주었고 리브의 피치(p)는 10으로 고정하였다. 주유동의 방향에 따라 (b)와 (c)와 같이 ∨/∧형 리브로 구분하였다.
시험부 상·하 벽면은 열전도성이 높은 구리판을 여러 영역으로 나누는 구리판법(copper plate method)을 이용하여 10개의 영역으로 구분하여 길이 방향 열전도를 최소화 하였다. 매 영역은 100 mm x 100 mm x 20 mm(t)의 구리판을 10개 설치하였고 각 영역에 설치된 구리판 사이의 열전도를 방지하기 위해 0.5 mm 두께의 고무 가스켓을 설치하였다.
8%이내였다. 본 연구에서는 단상 교류 전원을 사용하였으며, 히터에서 공급되는 열전달율(Q-Ql)은 아래의 대류 열전달에 의해 점검하였다.
시험부 상·하 벽면은 열전도성이 높은 구리판을 여러 영역으로 나누는 구리판법(copper plate method)을 이용하여 10개의 영역으로 구분하여 길이 방향 열전도를 최소화 하였다.
입구와 출구측의 구리판을 제외하고 각 구리판에 T형 구리-콘스탄탄 열전대를 동판의 중간 높이에 50 mm(입구와 출구는 75 mm) 간격으로 각 영역에 2개씩 설치하였다. 구리판 밑에는 0.
대상 데이터
전체 채널의 길이는 4,000 mm이고 시험부의 입구와 출구는 외부의 영향을 최소화하기 위해 투명 폴리카포나이트 각각 2,000 mm와 1,000 mm를 설치하였다. 시험부 입구는 100 mm x 100 mm 출구는 50 mm x 100 mm으로 제작하였고 입구와 축구의 수력직경 비(Dho/Dhi)는 0.67이다.
작동 유체로는 실내 공기를 사용하였고 출구 측에 설치 한송풍기를 통해 시험부 입구로 유입되게 하였다. 전체 채널의 길이는 4,000 mm이고 시험부의 입구와 출구는 외부의 영향을 최소화하기 위해 투명 폴리카포나이트 각각 2,000 mm와 1,000 mm를 설치하였다. 시험부 입구는 100 mm x 100 mm 출구는 50 mm x 100 mm으로 제작하였고 입구와 축구의 수력직경 비(Dho/Dhi)는 0.
이론/모형
Figure 4는 레이놀즈 수에 따른 Nu/Nuss의 분포를 나타낸다. 매끈한 직선 원형관 채널의 누셀트 수(Nuss)에 대한 상관 관계식은 아래의 Dittus-Boelter[9] 식 (6)을 이용하였다.
불확실성은 Kline과 McClintock[8]의 방법으로 실시하였고 누셀트 수와 마찰계수는 각각 최대 11%와 12%이었다.
성능/효과
1) ∧형 리브와 ∨형 리브 모두 출구 측에 가까울수록 국부 누셀트 수가 증가하였다.
2) ⋀형 45°리브가 가장 높은 누셀트 수를 보였으며 ⋀형 리브 채널은 원형관에 비해 약 2.8 ~ 3.8 배 무차원 누셀트 수가 크고 ∨형 리브 채널에서는 약 2.4 ~ 3.6 배 무차원 누셀트 수가 크게 나타났다.
3) ∧형 리브가 ∨형 리브보다 높은 마찰계수를 나타내었다.
[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) ⋀형 45°리브가 가장 높은 누셀트 수를 보였으며 ⋀형 리브 채널은 원형관에 비해 약 2.8 ~ 3.8 배 무차원 누셀트 수가 크고 ∨형 리브 채널에서는 약 2.4 ~ 3.6 배 무차원 누셀트 수가 크게 나타났다.
모든 경우 레이놀즈수가 증가할수록 높은 국부 누셀트 수를 나타내었다. 이는 레이놀즈수가 증가할수록 유속의 증가로 인하여 난류 혼합이 증가하였기 때문으로 사료된다.
[4]의 결과를 포함하였다. 본 연구의 결과 보다 무차원 누셀트수가 작았다. 이는 1) 본 연구의 경우 길이방향에 따라 채널이 수축되는 단면적으로 인하여 채널 중심부 유동(core flow)이 가열 벽면에 가까워지고, 2) Han et al.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가스터빈 입구 온도는 가스터빈 재질의 허용한계에 도달하는가?
가스터빈 엔진의 출력은 높은 입구온도와 관련 있기 때문에 가스터빈 입구 온도는 계속 증가되었으며 현재는 가스터빈 재질의 허용 한계를 훨씬 초과한다. 따라서 다양한 냉각 기술은 가스 터빈 엔진 연구에서 중요한 요소로 신뢰성 및 내구성을 향상시키기 위해 많은 연구들이 진행 중이다.
냉각 기술은 가스터빈엔진 연구에 어떠한 영향을 끼치는가?
가스터빈 엔진의 출력은 높은 입구온도와 관련 있기 때문에 가스터빈 입구 온도는 계속 증가되었으며 현재는 가스터빈 재질의 허용 한계를 훨씬 초과한다. 따라서 다양한 냉각 기술은 가스 터빈 엔진 연구에서 중요한 요소로 신뢰성 및 내구성을 향상시키기 위해 많은 연구들이 진행 중이다. 이 중 난류 촉진체인 리브(rib)의 설치는 덕트 내에서 열전달을 향상시키므로 가스 터빈 블레이드 냉각에 지속적으로 사용되어져 왔다.
가스 터빈 엔진 연구에서 리브의 역할은?
따라서 다양한 냉각 기술은 가스 터빈 엔진 연구에서 중요한 요소로 신뢰성 및 내구성을 향상시키기 위해 많은 연구들이 진행 중이다. 이 중 난류 촉진체인 리브(rib)의 설치는 덕트 내에서 열전달을 향상시키므로 가스 터빈 블레이드 냉각에 지속적으로 사용되어져 왔다. Ahn et al.
참고문헌 (11)
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, and four ribbed walls," ASME Journal of Turbomachinery, vol. 130, 034501-5, pp. 1-5, 2008.
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A. E. Momin, J. Saini, and S. Solanki, "Heat transfer and friction in solar air heater duct with V-shaped rib roughness on absorber plate," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 45, no. 16, pp. 3383-3396, 2002.
J. C. Han, Y. Zhang, and C. Lee, "Augmented heat transfer in square channels with parallel, crossed, and V-shaped angled ribs," ASME Journal of Heat Transfer, vol. 113, no. 3, pp. 590-596, 1991.
B. Wang, W. Q. Tao, Q. W. 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.
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.
M. S. Lee and S. W. Ahn, "Effects of rib angles on heat transfer in a divergent square channel with ribs on one wall," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 39, no. 6, pp. 609-613, 2015.
S. J. Kline and F. A. McClintock, "Describing uncertainty in single sample experiments," Mechanical Engineering, vol. 75, pp. 3-8, 1953.
F. W. Dittus and L. M. K. Boelter, "Heat transfer in automobile radiators of the tubular type," University of California (Berkeley), Publication of Engineering, vol. 2, p. 443, 1930.
M. S. Lee, S. S. Jeong, S. W. Ahn, and J. C. Han, "Turbulent heat transfer and friction in rectangular convergent/divergent channels with ribs," AIAA Journal of Thermophysics and Heat Transfer, vol. 27, no. 4, pp. 660-667, 2013.
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