파형 구조는 배열 충돌제트 하류에서의 횡방향 유동 영향을 줄이기 위해 충돌제트 사이의 파형 속에 사용된 냉각 공기를 유입시키며, 이러한 파형 구조에서의 유동 및 열전달 특성에 대해 수치해석을 수행하였다. 모든 계산은 3차원, 정상상태, 비압축성 유동으로 고려하였으며 ANSYS-CFX 15.0 코드를 사용하였다. 제트 홀에서 평균 Reynolds 수는 10,000이며, Spanwise 단면에서 충돌제트의 경사각도는 $70^{\circ}$, $80^{\circ}$ 및 $90^{\circ}$ 이고, Streamwise 단면에서 충돌제트의 경사각도는 $70^{\circ}$, $90^{\circ}$ 및 $110^{\circ}$ 이다. 본 연구에서는 배열 충돌제트의 경사각도가 파형 구조의 유동 및 열전달 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
파형 구조는 배열 충돌제트 하류에서의 횡방향 유동 영향을 줄이기 위해 충돌제트 사이의 파형 속에 사용된 냉각 공기를 유입시키며, 이러한 파형 구조에서의 유동 및 열전달 특성에 대해 수치해석을 수행하였다. 모든 계산은 3차원, 정상상태, 비압축성 유동으로 고려하였으며 ANSYS-CFX 15.0 코드를 사용하였다. 제트 홀에서 평균 Reynolds 수는 10,000이며, Spanwise 단면에서 충돌제트의 경사각도는 $70^{\circ}$, $80^{\circ}$ 및 $90^{\circ}$ 이고, Streamwise 단면에서 충돌제트의 경사각도는 $70^{\circ}$, $90^{\circ}$ 및 $110^{\circ}$ 이다. 본 연구에서는 배열 충돌제트의 경사각도가 파형 구조의 유동 및 열전달 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
A numerical analysis is made of the fluid flow and heat transfer characteristics in the corrugated structure that traps the spent air in the corrugations between impinging jets to reduce crossflow effects on downstream jets in the array. All computations are performed by considering three-dimensiona...
A numerical analysis is made of the fluid flow and heat transfer characteristics in the corrugated structure that traps the spent air in the corrugations between impinging jets to reduce crossflow effects on downstream jets in the array. All computations are performed by considering three-dimensional, steady state, and incompressible flow by using the ANSYS-CFX 15.0 code. Averaged jet Reynolds number is 10,000. The oblique angles of impingement jets on the spanwise section are $70^{\circ}$, $80^{\circ}$, $90^{\circ}$, and the oblique angles of impingement jets on the streamwise section are $70^{\circ}$, $90^{\circ}$, $110^{\circ}$. The investigation focuses on the oblique angle influence of impinging jet array on the fluid flow and heat transfer characteristics of a corrugated structure.
A numerical analysis is made of the fluid flow and heat transfer characteristics in the corrugated structure that traps the spent air in the corrugations between impinging jets to reduce crossflow effects on downstream jets in the array. All computations are performed by considering three-dimensional, steady state, and incompressible flow by using the ANSYS-CFX 15.0 code. Averaged jet Reynolds number is 10,000. The oblique angles of impingement jets on the spanwise section are $70^{\circ}$, $80^{\circ}$, $90^{\circ}$, and the oblique angles of impingement jets on the streamwise section are $70^{\circ}$, $90^{\circ}$, $110^{\circ}$. The investigation focuses on the oblique angle influence of impinging jet array on the fluid flow and heat transfer characteristics of a corrugated structure.
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제안 방법
0 이하를 유지하였다. 격자 크기 영향을 최대한 줄이고 적절한 격자수를 선정하기 위하여 격자수를 변화시키면서 충돌면의 평균 Nusselt 수 변화 경향을비교하였다. 격자 오차는 1% 이하가 되도록 하였고, 총 격자수는 제트 경사각도에 따라 차이는 있었지만 약 1천만 개이다.
충돌면 채널을 빠져 나가는 출구 조건으로는 대기압(101,325 kPa)을 적용하였고, 채널 출구조건이 출구에 가장 가까운 마지막 제트 홀에 미치는 영향을 줄이기 위해 마지막 제트 홀과 채널출구 사이 간격은 홀 사이 간격(Px) 보다 2배 크게 하였다. 그리고 벽면에서 열적 경계조건으로 충돌면은 일정한 온도(20oC)를, 나머지 면에는단열조건을 적용하고 점착조건(No-slip)을 주었다. 또한 Fig.
또한 파형 구조를 가지는 충돌제트의 경우 제트홀 각도에 따라서 파형과 그 주변 채널에서 유동 구조가 바뀜에 따라 열전달 특성이 달라진다.따라서 본 연구에서는 파형 구조에 대해 충돌제트의 경사각도를 변화시키면서 횡방향 유동에미치는 영향 및 충돌면에서의 열전달 특성을 비교 분석하였다.
입구 난류강도는 CFX에서 제공하는 기본 값인5%를 적용했다. 수치해의 수렴을 위해 연속방정식, 운동량 방정식, 에너지방정식 및 난류방정식의 Residual 오차는 10-5 이하가 되도록 하였다.
62 g/s, 공기 온도는 50°C이며,제트 홀에서 평균 Reynolds 수는 10,000 이었다.충돌면 채널을 빠져 나가는 출구 조건으로는 대기압(101,325 kPa)을 적용하였고, 채널 출구조건이 출구에 가장 가까운 마지막 제트 홀에 미치는 영향을 줄이기 위해 마지막 제트 홀과 채널출구 사이 간격은 홀 사이 간격(Px) 보다 2배 크게 하였다. 그리고 벽면에서 열적 경계조건으로 충돌면은 일정한 온도(20oC)를, 나머지 면에는단열조건을 적용하고 점착조건(No-slip)을 주었다.
파형 구조의 형상을 고정하고 Spanwise 단면에서 충돌제트의 경사각도인 α를 70°, 80° 및 90°로,Streamwise 단면의 경사각도인 β를 70°, 90° 및110°로 변화시켰다.
대상 데이터
작동유체인 공기는 이상기체 모델을 사용하였고, 유량공급 채널에서총 질량유량은 8.62 g/s, 공기 온도는 50°C이며,제트 홀에서 평균 Reynolds 수는 10,000 이었다.
해석 모델 내부는 비정렬 격자로, 벽면에 가까운 유체 영역은 정렬 격자로 만들고 벽면 부근에서 격자 크기는 충돌면으로부터 10%씩 점차적으로 증가시켰다. 또한 난류 유동 해석의 정밀도를 높이기 위해 충돌면에서 y+는 1.
데이터처리
본 수치해의 타당성을 검증하기 위해 파형 형상에 대해 실험을 수행한 Esposite 등[10]의 실험치와 비교하였다. Fig.
이론/모형
이는 다른CFD 코드와 같은 수의 격자를 사용하여도 적분점이 많기 때문에 격자가 더 조밀한 효과가 있으며, 격자 의존성이 상대적으로 적다. 대류항(Advection Term)에 대해서는 2차 정확도를 가지는 Upwind-based Approach인 HighResolution 기법을 사용하였다. 운동량 방정식의 Reynolds 응력항 난류 모델링을 위해 3차원 충돌제트 난류 유동에 양호한 해석 결과를 얻은바 있는 BSL k-w 난류모델[16]을 적용하였다.
수치해석은 상용 코드인 ANSYS-CFX 15.0을 사용하였으며, 이는 유한체적법(Finite VolumeMethod)으로 3차원 정상상태 Reynolds-AveragedNavier-Stokes(RANS) 방정식을 차분화하여 수치해를 구한다. CFX-15.
대류항(Advection Term)에 대해서는 2차 정확도를 가지는 Upwind-based Approach인 HighResolution 기법을 사용하였다. 운동량 방정식의 Reynolds 응력항 난류 모델링을 위해 3차원 충돌제트 난류 유동에 양호한 해석 결과를 얻은바 있는 BSL k-w 난류모델[16]을 적용하였다.입구 난류강도는 CFX에서 제공하는 기본 값인5%를 적용했다.
성능/효과
1) Spanwise 단면의 경사각도(α)를 변화시키는 경우, 각도가 90°에서 80°로 작아질수록평균 Nusselt 수가 증가하였으나 70°로 더 작아지면 오히려 감소하였다.
2) Streamwise 단면의 경사각도(β)를 변화시키는 경우, 각도가 90° 이하이면 횡방향 유동을 억제하는 효과가 있고 제트 홀 부근에 큰 재순환 유동이 생성되었으나 90° 이상이면 횡방향 유동을 크게 받아 채널 후방으로 갈수록 제트 홀 부근에서 대류열 전달계수는 크게 저하되었다.
각 제트 홀의 평균 질량유량은 0.43 g/s로, 제트 홀 12번이 평균 질량유량에 가깝고 제트 홀 전방에서 후방으로 갈수록 질량유량은 점차적으로 증가하였으나, 경사각도 α변화에 따라 각 제트 홀에서 질량유량 차이는 거의 없었다.
따라서 압력강하는 경사각도 α가 작아질수록 점차적으로 크게되지만 충돌면의 평균 Nusselt 수는 80°에서 최대가 되어 열적성능(η)은 80°에서 제일 높게 나타난 것으로 보인다.
따라서 압력강하와 열전달을 동시에 고려하는 열적 성능(η) 측면에서 보면 α=90°,80°, 70° 중에서 α=80°가 제일 우수하였다.
따라서 열전달과 압력강하를 동시에 고려하는 열적 성능 측면에서 보면 경사각도 80°가 제일 좋았다.
또한 경사각도 α에 따른 평균 Nusselt 수 변화를 보면 경사각도 90°에서80°로 작아지면 Nusselt 수가 1.48 증가하여 좋아졌지만 70°로 더 작아지면 Nusselt 수는 반대로 3.31 더 크게 감소하여 열전달 효과의 저하를가져왔다.
3은 각 제트 홀 기준으로 면적 평균한 충돌면의 Nusselt 수 변화에 대해실험과 수치해석 결과를 보여준다. 실험에서는 1번에 접한 좌측 벽면을 통한 열전도가 고려되므로 인해 충돌제트 효과가 저하되어 1번이 인접한 2번 보다 Nusselt 수가 좀 낮은 값을 나타내며, 수치해석에서 충돌면은 일정한 온도를, 나머지 면은 단열조건을 적용했으며 난류 모델에 따라 차이는 있지만 1번에서 Nusselt 수는 2번 보다 약간 높거나 낮은 값을 보이었다. 난류 모델적용에 따른 영향을 살펴보면 표준 k-w 모델은전반적으로 실험치 보다 낮았고, SST k-w 모델은 제트 홀 전반부(홀 1~7)에서는 실험치 보다낮고 후반부(홀 8~10)에서는 높은 값을 보이는반면에, BSL k-w 모델은 제트 홀 전반부나 후반부에서 실험치 보다 다소 낮게 예측되나 유사한 변화 경향을 나타내었다.
그림에서 보듯이 경사각도 α가 90°에서 80°로 작아질수록 횡방향 유동 영향이 줄어들어 특히 하류 제트 홀에서 Nusselt 수가 더 높아졌으나 경사각도 α가 70°로 더 작아지면 오히려 낮아지는 것으로 볼 수 있다. 이를 통해 충돌면에서의 열전달을 좋게 하는 경사각도가 존재함을 확인할 수 있었다.
표에서 보듯이 충돌제트의 경사각도 β가 작아질수록 충돌면에서 평균 Nusselt 수가 증가하여 좋아졌지만 압력강하도 크게 되어 상반된 현상이 야기되었다.
표에서 보듯이 충돌제트의 경사각도에 따른 채널 입,출구간의 압력강하 특성을 살펴보면 경사각도 α가 90°에서 80°로 작아지면 압력강하는 115 Pa이었고, 70°로 더 작아지면 압력강하는 99 Pa로 감소폭이 줄어들었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
충돌제트 냉각이 큰 열부하를 받는 산업분야에 많이 사용되는 이유는 무엇인가
충돌제트 냉각은 고온의 벽면에 냉각 공기를직접 분사시켜 많은 열을 흡수/제거하는 방식으로 국소적으로 높은 열전달 효과를 얻을 수 있기 때문에, 가스터빈의 연소실 내벽이나 터빈 블레이드 냉각, 항공기 날개의 동결방지(Antiicing), 전자부품 내부의 반도체 냉각, 제지와 필름의 건조공정, 유리/금속의 제조공정 등 국소적으로 큰 열부하를 받는 산업분야에 많이 응용되고 있다[1-3].
배열제트의 특징은 무엇인가
Hwang 등[9]은터빈 블레이드 전연면(Leading-edge)을 모사한곡면 형상에서 엇갈림 배열(Staggered Array)에대한 충돌제트의 열유동 특성을 고찰하였다. 배열제트의 경우 분사된 제트가 충돌면을 냉각시킨 후 유동이 하류로 흘러가면서 횡방향 유동을형성하여 하류에서의 열전달을 감소시키고 상,하류 간의 불균일한 열전달을 유발시킨다.
열적 성능 측면에서 경사각도 80°가 가장 좋은 이유는 무엇인가
따라서 열전달과 압력강하를 동시에 고려하는 열적 성능 측면에서 보면 경사각도 80°가 제일 좋았다. 이는 경사각도가 작아질수록 제트 홀 단면에서 속도 분포가 더 불균일하게 되어 충돌면 채널에서Vortex 크기나 위치에서 차이가 나고, 제트홀 후방에서 질량유량은 80°에서 최대가 되는 등 여러 가지 복잡한 유동특성이 횡방향유동에 영향을 주어 생긴 현상으로 사료된다.
참고문헌 (21)
Han, J., Dutta, S. and Ekkad, S., Gas Turbine Heat Transfer and Cooling Technology, CRC Press, New York, N.Y., U.S.A., 2013.
Liu, H.H.T. and Hua, J., "Three-Dimensional Integrated Thermodynamic Simulation for Wing Anti-Icing System," Journal of Aircraft, Vol. 41, No. 6, pp. 1291-1297, 2004.
Wang, B., Guo, X., Xie, O., Wang, Z. and Wang, G., "Heat Transfer Characteristic Research During Jet Impinging on Top/Bottom Hot Steel Plate," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 101, pp. 844-851, 2016.
Jambunathan, K., Lai, E., Moss, M.A. and Button, B.L., "A Review of Heat Transfer Data for Single Circular Jet Impingement," International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 13, Issue 2, pp. 106-115, 1992.
Goldstein, R.J. and Franchett, M.E., "Heat Transfer From a Flat Surface to an Oblique Impinging Jet," ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 110. Issue 1, pp. 84-90, 1988.
Vipat, O., Feng, S.S., Kim, T., Pradeep, A.M. and Lu, T.J., "Asymmetric Entrainment Effect on the Local Surface Temperature of a Flat Plate Heated by an Obliquely Impinging Two-Dimensional Jet," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, Issue 21-22, pp. 5250-5257, 2009.
Hwang, B.J., Chung, H., Joo, W.G. and Cho, H.H., "Numerical Analysis on the Effects of Supply Channel and Jet Hole Arrangement on Heat Flow Characteristics of Impingement Jet," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 20, No. 4, pp. 77-86, 2016.
Esposito, E.I., Ekkad, S.V., Kim, Y. and Dutta, P., "Comparing Extended Port and Corrugated Wall Jet Impingement Geometry for Combustor Liner Backside Cooling," Proceedings of ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea and Air, Montreal, Canada, GT 2007-27390, May 2007.
Yang, L., Li, W., Chi, Z., Ren, J. and Jiang, H., "Effect of Corrugated Orifice and Pin-Fin on Multiple Array Impingement Cooling with Low Nozzle to Target Distance," Proceedings of ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition, Dusseldorf, Germany, GT 2014-25494, Jun. 2014.
Chi, Z., Kan, R., Ren, J. and Jiang, H., "Experimental and Numerical Study of the Anti-Crossflows Impingement Cooling Structure," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 64, pp. 567-580, 2013.
Correia, V.H.S., "Impingement Cooling Apparatus for Turbine Shrouds having Ducts of Increasing Cross-Sectional Area in the Direction of Post-Impingement Cooling Flow," U.S. Patent No. 5480281, Jan. 1996.
Haumann, J., Knopfli, A., Sattelmayer, T. and Tresch, R., "Apparatus for Impingement Cooling," U.S. Patent No. 5467815, Nov. 1995.
Bunker, R.S., "Cooling for Double-Wall Structures," U.S. Patent No. 6000908, Dec. 1999.
Menter, F.R., "Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications," AIAA Journal, Vol. 32, No. 8, pp. 1598-1605, 1994.
Zuckerman, N. and Lior, N., "Impingement Heat Transfer : Corrections and Numerical Modeling," ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 127, Issue 5, pp. 544-552, May 2005.
Hofmann, H.M., Kaiser, R., Kind, M. and Martin, H., "Calculations of Steady and Pulsating Impinging Jets - An Assessment of 13 Widely Used Turbulence Models," Numerical Heat Transfer, Part B, Vol. 51, Issue 6, pp. 565-583, 2007.
Sagot, B., Antonimi, G., Christgen, A. and Buron, F., "Jet Impingement Heat Transfer on a Flat Plate at a Constant Wall Temperature," International Journal of Thermal Sciences, Vol. 47, Issue 12, pp. 1610-1619, 2008.
Li, W., Ren, J., Hongde, J. and Ligrani, P., "Assessment of Six Turbulence Models for Modeling and Predicting Narrow Passage Flows, Part 1: Impingement Jets," Numerical Heat Transfer, Part A, Vol. 69, No. 2, Issue 2, pp. 109-127, 2016.
Isman, M.K. Morris, P.J. and Can M., "Investigation of Laminar to Turbulent Transition Phenomena Effects on Impingement Heat Transfer," Heat and Mass Transfer, Vol. 52, No, 10, pp. 2027-2036, Nov. 2016.
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