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문제 정의
- 본 연구에서는 군용차량인 항공기와 전차에서 발생하는 고온 표면을 하나의 예로 들어 열전냉각소자을 이용하여 냉각이 가능하다는 것을 수치해석을 통해 증명하고, 이를 바탕으로 열전냉각소자에 의한 능동적 냉각을 통해 적외선 방사량을 감소시킬 수 있음을 제안하고자 한다. 열전냉각소자의 구동으로 인한 표면 냉각과 방사율의 제어를 통해 배경의 적외선 방사량 대비 군용차량의 표면의 적외선 방사량의 Contrast를 감소시키는 것을 목표로 한다.
- 열-전기 해석을 위해서는 군용차량의 항공기 및 전차의 현실적인 모델링 정보가 필요하다. 하지만 분야의 특성 상 대상의 표면 및 내부에 대한 정확한 형상 정보를 습득할 수 없어 임의의 형상을 제시하고자 한다.
- 정해진 열전소자의 형상과 경계 조건에 따라 최대의 흡열량을 가지게 하는 최적 인가 전류의 크기가 결정된다. 본 연구의 해석에서는 인가되는 전류의 크기를 변화시켜가며 냉각하고자 하는 표면의 온도를 계산하였다. 또한 열컨덕턴스(Thermal Conductance)와 전기저항(Electrical Resistance)도주어진 열적 환경에 대한 최적점이 존재하기 때문에(14) 이와 관련된 설계 변수로서의 열전반도체의 수직 방향의 높이는 항공기와 전차의 두 가지 경우에 대해 다르게 설정하였다.
- 본 연구에서는 항공기나 전차와 같은 군용차량의 적외선 스텔스를 구현하는 방법 중의 하나로서 열전냉각소자를 이용해 군용차량의 표면의 온도를 능동적으로 냉각하여 적외선 방사량을 줄일 수 있음을 증명하였다. 군용차량의 고온 표면을 구현하기 위한 열적 환경을 가정하고 열전소자를 설치하여 냉각을 수행하였을 때 표면의 온도가 냉각되는 것을 ANSYS 수치해석 소프트웨어를 이용하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 군용차량인 항공기와 전차에서 발생하는 고온 표면을 하나의 예로 들어 열전냉각소자을 이용하여 냉각이 가능하다는 것을 수치해석을 통해 증명하고, 이를 바탕으로 열전냉각소자에 의한 능동적 냉각을 통해 적외선 방사량을 감소시킬 수 있음을 제안하고자 한다. 열전냉각소자의 구동으로 인한 표면 냉각과 방사율의 제어를 통해 배경의 적외선 방사량 대비 군용차량의 표면의 적외선 방사량의 Contrast를 감소시키는 것을 목표로 한다.
가설 설정
- 2, case 1)의 경우 순항 중에 날개에서 발생하는 공력가열에 의한 고온 표면을 냉각하는 것을 목표로 한다. 적외선 탐지는 지상에서 이루어지는 것으로 가정한다. 따라서, 면적을 차지하고 있는 날개의 하단부를 가장 쉽게 감지할 수 있음을 바탕으로, 날개 하단부를 열전냉각소자로 냉각하고 여기에서 흡수한 열을 날개 내부의 히트 싱크(20℃)로 배출하는 시스템을 제안한다.
- 따라서, 면적을 차지하고 있는 날개의 하단부를 가장 쉽게 감지할 수 있음을 바탕으로, 날개 하단부를 열전냉각소자로 냉각하고 여기에서 흡수한 열을 날개 내부의 히트 싱크(20℃)로 배출하는 시스템을 제안한다. 항공기 날개의 하단부의 재질은 10 mm 두께의 Stainless Steel로 가정하였다[Fig. 2(b)]. 해당 항공기 모델은 3048 m(10,000 ft, 외기온도: -4.
- 2(b)]. 해당 항공기 모델은 3048 m(10,000 ft, 외기온도: -4.80℃) 상공에서 917km/h로 비행하는 것으로 가정하였고 External Turbulent Boundary Layer가 발생하는 날개의 총 길이는 6 m로 설정하였다. 이 때의 Adiabatic Wall Temperature, T∞와 Average Convection Coefficient, havg는 각각 식 (3)과 식 (4)와 같이 나타낼 수 있으며(14) 열-전기 해석에 적용된 실제 값은 각각 76.
- 는 각각 공기의 비열과 Recovery Factor이다. 난류 조건으로 가정하여 Recovery Factor을 Prandtl Number(Pr=0.7124)의 1/3승으로 적용하였다. Re와 k,L은 각각 공기의 열전도도(0.
- 2, case 2)는 표면에서의 공력가열이 발생하지 않고 다만 전차 내부의 내연기관이나 전자 장비 등에서 발생하는 발열에 의해 적외선 신호가 발생하게 된다. 외기 온도가 10℃인 야간에 적외선 신호에 의해 탐지되는 상황을 전제로, 전차의 모델링은 내부 온도가 40℃인 200 mm의 장갑의 표면 근처에 열전냉각소자를 설치하여 열을 표면에서 내부 쪽으로 이송시키는 것으로 가정하였다[Fig. 2(c)]. 전차 모델의 경우 Adiabatic Wall Temperature는 사용하지 않았으며 전차 운행 속도가 50 km/h이고 1 m의 길이에 해당하는 External Turbulent Boundary Layer가 발생한다고 가정하였을 때의 Average Convection Coefficient를 식 (4)를 통해 계산하여 55.
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