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열방어구조의 다공성 단열재 유효 열전도율 예측 모델링
Prediction Modeling on Effective Thermal Conductivity of Porous Insulation in Thermal Protection System 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.45 no.3, 2017년, pp.163 - 172  

황경민 (Graduate School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) ,  김용하 (Graduate School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) ,  김명준 (Graduate School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) ,  이희수 (Graduate School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) ,  박정선 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
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다공성 단열재는 탁월한 단열 효과로 단열공간을 최소화하여, 기존 단열재 대비 내부 공간을 활용할 수 있어 여러 산업 분야에서 사용되고 있다. 특히 높은 단열 효과뿐만 아니라 경량화가 요구되는 항공우주 산업분야에서는 이와 같은 다공성 단열재의 수요가 증가하고 있다. 본 논문에서는 다공성 단열재의 정확도가 높은 유효 열전도율 예측 모델을 새롭게 제안하고, 기존 예측 모델 및 시험 결과와 비교 검증하였다. 이를 위해, 기존 유효 열전도율 예측 모델에 대하여 문헌조사를 수행하였고, 다공성 단열재의 고체 부피율에 따른 열전도율 시험결과 값과 비교하였다. 또한 유효 열전도율 시험 결과와 비교하여 가장 높은 정확도를 가진 Zehner-Schlunder 모델 및 시험 결과 데이터를 기반으로 새로운 유효 열전도율 예측 모델을 정의하였으며, 시험 결과 데이터와 비교하여 기존 유효 열전도율 예측 모델보다 유사한 정확도를 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 개선된 유효 열전도율 예측 모델을 적용하여 초고속 비행체 열방어구조의 과도 열전달 해석을 수행하였으며, 열전달 시험 결과와의 비교를 통해 예측 모델의 유효성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Porous insulation have been frequently used in a number of industries by minimizing thermal insulation space because of excellent performance of their thermal insulation. This paper devices an effective thermal conductivity prediction model. First of all, we perform literature survey on traditional ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 기존 예측 모델과 비교해 가장 높은 정확도를 가진 Zehner-Schlunder 모델을 개선하여 유효열전도율 예측 모델을 제안하였다. 또한 예측 정확도를 높이기 위해 고체 부피율과 고체-유체 열전도율 비로 구성된 다항식을 추가하여, 개선된 유효 열전도율 예측 모델을 정의하였다.
  • 본 논문에서는 다공성 단열재의 정확도가 높은 유효 열전도율 예측 모델을 새롭게 제안하고, 기존 예측 모델 및 시험 결과와 비교 검증하였다. 이를 위해 기존 유효 열전도율 예측 모델들을 다공성 단열재의 고체 부피율에 따른 열전도율 시험 결과 값과 비교하였다.
  • 본 논문에서는 정확도가 향상된 다공성 단열재의 유효 열전도율 예측 모델을 정의하기 위해, 기존 유효 열전도율 예측 모델을 다공성 단열재의 열전도율 시험 결과 값과 비교하였다. 시험 결과와 비교하여 가장 높은 정확도를 가진 ZehnerSchlunder 모델 및 시험 결과를 개선하여 고체-유체의 부피율과 열전도율 비로 구성된 다항식을 추가하여, 개선된 유효 열전도율 예측 모델을 정의하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
항공우주 산업분야에서 다공성 단열재 수요가 증가하는 이유는? 다공성 단열재는 탁월한 단열 효과로 단열공간을 최소화하여, 기존 단열재 대비 내부 공간을 활용할 수 있어 여러 산업 분야에서 사용되고 있다. 특히 높은 단열 효과뿐만 아니라 경량화가 요구되는 항공우주 산업분야에서는 이와 같은 다공성 단열재의 수요가 증가하고 있다. 본 논문에서는 다공성 단열재의 정확도가 높은 유효 열전도율 예측 모델을 새롭게 제안하고, 기존 예측 모델 및 시험 결과와 비교 검증하였다.
다공성 단열재가 여러분야에 이용되는 이유는? 다공성 단열재는 탁월한 단열 효과로 단열공간을 최소화하여, 기존 단열재 대비 내부 공간을 활용할 수 있어 여러 산업 분야에서 사용되고 있다. 특히 높은 단열 효과뿐만 아니라 경량화가 요구되는 항공우주 산업분야에서는 이와 같은 다공성 단열재의 수요가 증가하고 있다.
유효 열전도율 예측 모델들의 해석 결과는? Kunii-Smith 모델은 고체 부피율에 대한 비선형성이 고려하지 않았기 때문에 대부분의 고체유체 열전도율 비와 고체 부피율에서 오차가 높은 것을 확인할 수 있다. Maxwell, Macdevette모델은 낮은 고체-유체 열전도율 비와 고체 부피율에서는 정확도가 높지만 고체-유체 열전도율 비와 고체 부피율이 증가함에 따라 오차가 증가함을 확인할 수 있다. Rayleigh 모델은 전반적으로 Maxwell 모델보다 정확도가 높지만 높은 고체-유체 열전도율 비와 고체 부피율에서는 정확도가 떨어진다. Modified Rayleigh 모델은 Rayleigh 모델에 고체-유체 열전도율 비의 항을 추가하여, Rayleigh 모델보다 높은 고체-유체 열전도율 비와 고체 부피율에서의 예측 정확도가 높았다. 본 논문에서 제안된 유효 열전도율 예측모델은 대부분의 고체-유체 열전도율 비 및 고체 부피율에서 오차 20% 이내를 만족하는 것을 확인하였다. 특히, 고체-유체 열전도율 비가 높은 다공성 소재에 대한 유효 열전도율 예측 시험 결과(Woodside-Mesmer, Kwak, Kleinstreuer)와의 비교 오차는 10% 이내를 만족한다.
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참고문헌 (17)

  1. Christopher, C. L., "High Speed Flight Vehicle Structures: An Overview," Journal of Aircraft, Vol. 41, No. 5, 2004, pp. 978-985. 

  2. Thornton, E. A., Thermal Structures for Aerospace Applications, AIAA Educational Series. 

  3. Castellino, M., Rovere M., Shahzad, M. I. , Tagliaferro, M. I., "Conductivity in carbon nanotube polymer composites," Thermochimica Acta, Vol. 635, pp. 8-16. 

  4. Zhang, C., Du, Y., Liu, Y., Sundman, B., "Thermal conductivity of Al-Cu-Mg-Si alloys : Experimental measurement and CALPHAD modeling," Thermochimica Acta Journal, Vol. 87, pp. 237-242. 

  5. Maxwell, J. C., A Treatise on Electricity and Magnetism, Clarendon Press, Oxford, 1873, pp. 365. 

  6. Kunii, D., Smith, J. M., "Heat transfer characteristics of porous rocks," American Institute of Chemical Engineers Journal, Vol. 6, 1960, pp. 71-78. 

  7. Kandula, M., "On the effective thermal conductivity of porous packed beds with uniform spherical particles," Journal of Porous Media, Vol. 14, 2011, pp. 919-926. 

  8. Hsu, C. T., Cheng, P., Wong, K. W. "Modified Zehner-Schlunder models for stagnant thermal conductivity of porous media," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 37, pp. 2751-2759. 

  9. MacDevette, M. M., Ribera, H. and Myers, T. G., "A simple yet effective model for thermal conductivity of nanofluids," Centre De Recerca Matematica, Preprint, No. 1149, 2013. 

  10. Wong, C. P., Bollampally, R. S., "Thermal conductivity, elastic modulus, and coefficient of thermal expansion of polymer composites filled with ceramic particles for electronic packaging," Journal of Applied. Polymer Science, Vol. 74, 1999, pp. 3396-3403. 

  11. Kanuparthi, S., Subbarayan, G., Siegmund, T., Sammakia, B., "An efficient network model for determining the effective thermal conductivity of particulate thermal interface materials," IEEE Transactions on Components and Packing Technologies, Vol. 31, No. 3, pp. 611-621. 

  12. Woodside, W., Messmer, J. H., "Thermal conductivity of porous media I. Unconsolidated sand," Journal of Applied Physics, Vol. 12, No. 9, 1961. pp. 1688-1699. 

  13. Kwak, K. and Kim, C., "Viscosity and thermal conductivity of copper oxide nanofluid dispersed in ethylene glycol," Korea-Australia Rheology Journal, Vol. 17, No. 2, June, 2005, pp. 35-40. 

  14. Yoo, D. H., Hong, T. E., Hong, J. A., Eastman, J. A. and Yang, H. S., "Thermal conductivity of Al2033/Water nanofluids," Journal of the Korean Physical Society, Vol. 51, 2007. 

  15. Chandersaker, M., Suresh, S. and Bose, A. C., "Experimental investigations and theoretical determination of thermal conductivity and viscosity of $Al_20_33$ /water nanofluid," Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, pp. 210-216. 

  16. Kleinstreuer, C. and Feng, Y., "Experimental and theoretical studies of nanofluid thermal conductivity enhancement: a review," Nanoscale Research Letters, Vol. 6, No. 1, 2011, pp. 229-242. 

  17. Draper, N. R. and Smith, H., Applied Regression Analysis, 3rd Ed., John Wiley. 

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