[논문]블록 크기 및 난류발생기 배치에 따른 수평채널내의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 연구

서규원; 임종한; 윤준규

doi:10.5762/kais.2019.20.4.639

블록 크기 및 난류발생기 배치에 따른 수평채널내의 열전달 및 압력강하 특성에 관한 연구
A Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics according to Block Size and Turbulence Generator's Placement in a Horizontal Channel 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.639 - 647

서규원 (가천대학교 대학원 기계공학과) , 임종한 (가천대학교 기계공학과) , 윤준규 (가천대학교 기계공학과)

초록
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최근 전자장비의 소형화 및, 고밀도화가 되는 반도체 집적기술의 발달로 인해 칩과 모듈에서 발생되는 내부발열량을 외부로 적절히 방출시키기 위해서 열 제어시스템 적용에 대한 연구의 중요성을 인식하고 있다. 본 연구는 SST k-${\omega}$ 난류모델을 적용하여 4개의 블록이 부착한 수평채널내에서 열전달 및 압력강하 특성을 고찰하였다. CFD 해석시 적용한 매개변수는 블록 폭, 블록 높이, 열원 및 난류발생기 배치이고, 해석시 기본 경계조건은 채널 입구의 온도 및 유속은 300 K, 3.84 m/s, 열유속은 $358W/m^2$으로 하였다. 그 결과로 블록 폭비율(w/h)이 증가할수록 열전달성능이 감소하는 반면에 블록 높이비(h/w)이 증가할수록 열전달특성은 증가하는 경향을 나타내었으며, 열원의 크기배열은 낮은 열유속에서 높은 열유속으로 증가시킬수록 열원의 영향을 받아 열전달계수는 증가하는 경향을 나타냈고, 난류발생기는 채널 입구에 가까운 블록 1번 위치의 상단에 설치했을 경우가 4개의 가열블록 전체에 가장 영향을 크게 미치게 되고, 압력강하특성을 고려할 때 가장 적절한 위치로 선정할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as the semiconductor integration technology due to miniaturization and high density of electronic equipment have developed, it is importantly recognized the application of thermal control system in order to release inner heat generated from chips, modules, In this study, we considered the heat transfer and pressure drop characteristics in a horizontal channel with four blocks using k-${\omega}$ SST turbulence model During CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis, the parameters applied block width, block height, heat source and turbulence generator placement etc. As the boundary conditions of analysis, the channel inlet temperature and flow velocity were respectively 300 K and 3.84 m/s, the heat flux was $358W/m^2$. As a result, the heat transfer performance was decreased as the block width ratio (w/h) was increased, while it was increased as the block height ratio (h/w) was increased. In addition, as the arrangement of heat source size was increased to high heat flux from low heat flux, it was influenced by heat source size and the heat transfer coefficient showed a tendency to increase, When the turbulence generator was installed in the upper part of block No. 1 position the closely to the channel entrance, the heat transfer characteristics was greatly influenced on the whole of four heating blocks. and in oder to consider the pressure drop characteristics, we are able to select the most appropriate turbulence generator's position.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic and mesh system of horizontal channel
표 Table 1. Applied specifications of horizontal channel
표 Table 2. Quality of mesh
그림 Fig. 2. Heat transfer characteristics according to block position in horizontal channel
그림 Fig. 3. Effects of block width ratio
표 Table 3. Physical properties of air and wall
그림 Fig. 4. Flow field characteristics according to block width ratio
그림 Fig. 5. Effects of block height ratio
그림 Fig. 6. Flow field characteristics according to block height ratio
그림 Fig. 7. Effects of heat flux
그림 Fig. 8. Effects of turbulence generator position
그림 Fig. 9. Flow field characteristics according to turbulence generator position

AI 본문요약
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문제 정의

[9]은 벽면에 블록이 존재하는 수평 사각 덕트 내에서의 부력의 효과가 층류유동 및 열전달에 미치는 영향을 연구한 결과로 레이놀즈수가 감소할 때 가열블록에서 평균열전달계수는 부력의 영향으로 감소하다가 최소값이 된 이후 다시 후 점차적으로 증가한다고 제시하였으며, Asako and Faghri[10]는 수평채널의 아래쪽 벽면에 발열체가 규칙적으로 배열되고 채널내에서 주기적으로 완전 발달된 유동으로 가정하여 3차원 층류강제대류 열전달특성을 고찰한 결과로 열유속이 발열체의 블록 윗면이 앞면보다 크고, 최대의 열유속은 블록 윗면의 모서리 부근에서 발생된다고 보고하였다. 본 연구에서는 선행연구인 Hung and Lin[11]이 수행한 수평채널내의 동일한 블록 크기와 열원에서 얻어진 열전달 실험결과와 비교하기 위해 다양한 난류모델을 적용하여 수치해석의 타당성을 검증하였으며, 블록 크기(블록의 폭비율과 높이비), 열유속 크기 및 난류발생기 배치 등을 변화시켜 수평채널내의 열전달 및 압력강하 특성을 고찰하였다.

제안 방법

본 연구에서는 블록 크기(블록의 폭비율과 높이비), 열유속 크기 및 난류발생기 배치 등을 변화시켜 수평채널내의 열전달 및 압력강하 특성을 고찰한 내용은 다음과 같다.
본 연구에서는 선행연구[11]에서 얻어진 실험결과와 동일한 수평채널내의 블록구조(전체길이 L=280 mm, 입구길이 x_i =60 mm, 블록 폭 w=10 mm, 블록 높이 h=10 mm, 블록 간격 s=20 mm, 채널 높이 H=50 mm)와 외부 조건(공기온도 300K, 입구속도 3.84 m/s 열유속 358 W/㎡)에서 얻어진 해석결과를 비교하기 위해 동일하게 모델링하였다. Fig.

데이터처리

본 연구는 수평채널내에 부착된 4개의 블록표면에 가열되는 열원을 적용하여 열전달 및 압력강하 특성을 고찰하기 위해서 해석 Solver는 FLUENT v.16.1를 사용하였으며, 상용프로그램인 ANSYS Workbench의 Geometry 및 Mesh를 사용하여 모델링하였다. 격자계의 구성시 벽 근처에 대해서는 점성효과를 고려하기 위해 무차원거리 y+<30가 되는 점성저층 및 버퍼층 영역에 대해 충분한 격자를 주어 수치해석의 정확도를 높이도록 배려하였으며, 이러한 영역에 저레이놀즈 효과가 고려될 수 있는 모델링방법 중 Blending function을 사용하는 SST k-ω이 적용되었다.

이론/모형

1를 사용하였으며, 상용프로그램인 ANSYS Workbench의 Geometry 및 Mesh를 사용하여 모델링하였다. 격자계의 구성시 벽 근처에 대해서는 점성효과를 고려하기 위해 무차원거리 y+<30가 되는 점성저층 및 버퍼층 영역에 대해 충분한 격자를 주어 수치해석의 정확도를 높이도록 배려하였으며, 이러한 영역에 저레이놀즈 효과가 고려될 수 있는 모델링방법 중 Blending function을 사용하는 SST k-ω이 적용되었다. 따라서 본 해석모델의 격자계는 Fig.
0% 이내외로 근사치를 보여 수치해석의 타당성을 검증할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 가장 해석에 근사한 결과를 나타난 SST k-w 난류모델을 적용하였다.
본 연구는 선행연구[13]의 실험결과와 비교를 하기 위해 채널내의 동일한 블록 크기(w/h=1.0) 및 경계조건(공기온도 300K, 입구속도 3.84 m/s, 열유속 358 W/㎡)을 적용하여 난류모델의 타당성을 검증하기 위하여 현재 CFD해석에 널리 이용되고 있는 Standard k-ε모델, BSL(Baseline) k-ω모델 및 SST(Shear Stress Transport) k-w모델을 적용하였다. 그 해석결과를 Fig.
본 연구에서 수평채널내의 내부유동은 2차원 정상상태, 비압축성 난류유동으로 가정하고, 유동의 박리, 재순환유동 등의 난류류경계층 해석에 우수한 성능을 보이는 SST(Shear Stress Transport) k-ω 난류모델을 적용하였으며, 지배방정식은 다음과 같다[12].

성능/효과

(1) 난류모델의 타당성 검증을 위해 4가지 난류모델을 적용하여 민감도 분석을 수행한 결과로, SST k-w모델이 실험결과와 가장 근사한 해석결과를 나타냈다.
(2) 각 블록표면에 가열되는 일정한 열유속조건에서 블록 폭비율(w/h)이 증가할수록 블록 상부표면을 통한 전체 열량이 증가하게 됨으로써 오히려 열전달성능이 감소하게 나타난다.
(3) 블록 높이비(h/w)가 증가할수록 열전달서능은 증가하는 경향을 나타내고 있으며, 블록 높이의 증가로 인해 유동의 저항을 받기 때문에 압력강하는 크게 나타난다.
(4) 기본 블록모델에서 블록표면의 열유속을 증가할수록 열전달계수는 증가하나 압력강하특성은 거의 변하지 않는다.
(5) 난류발생기를 블록 전단의 상단에 설치하였을 때 No. 1 위치의 경우가 4개의 가열블록 전체에 영향을 크게 미치게 되어 가장 큰 열전달효과를 보여주었고, 압력강하는 난류발생기 배치를 채널 출구방향으로 근접할수록 압력강하는 크게 나타난다.
Fig. 8의 열전달 및 압력강하 특성을 보면, 난류발생기(Turbulence generator)를 부착한 경우가 난류발생기를 부착하지 않은 경우에 비해 난류강도(Turbulent intensity)를 증가시킴으로써 열전달증대의 효과를 얻었으며, 압력강하도 크게 증가함을 보였다. 난류발생기 배치에 따른 열전달특성을 고찰하면, No.
결과적으로 Fig. 5(b)의 평균열전달계수와 압력강하 특성을 살펴보면, 앞서 블록 폭비율(w/h)에 따른 결과와는 달리 블록 높이비(h/w)가 증가할수록 블록 전체면을 통한 총열전달률이 커지고, 압력손실이 크지 않음에도 보다 향상된 열전달성능을 보여주었다.
이는 블록 전단의 상부 모서리부근에서 유동의 박리가 발생하게 되어 큰 압력강하가 발생하면서 상대적으로 큰 유속으로 인해 높은 열전달특성을 보이다가 그 이후 블록 상부면을 지나면서 경계층이 발달되면서 열전달특성은 낮아지기 때문이라 사료된다. 결과적으로 블록 폭비율(w/h)이 증가할수록 열전달성능이 감소하는 경향을 보이고 있는데, 이는 각 블록 상부표면을 통한 전체 열량은 증가하게 되어 동일한 열유속조건에서는 오히려 열전달성능이 떨어지는 현상으로 기인된다. 따라서 w/h가 증가할수록 유체와 접하는 면이 증가하게 되어 약간의 압력손실이 증가함으로써 열전달성능에는 큰 기여를 하지 못함을 알 수 있었다.
그 결과로 이들 3가지 난류모델 중에서 박리유동 및, 재순환유동 등의 난류경계층 해석에 적합하다고 알려진 SST k-w 난류모델이 실험값과 비교했을 때 평균오차 3.0% 이내외로 근사치를 보여 수치해석의 타당성을 검증할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 가장 해석에 근사한 결과를 나타난 SST k-w 난류모델을 적용하였다.
결과적으로 블록 폭비율(w/h)이 증가할수록 열전달성능이 감소하는 경향을 보이고 있는데, 이는 각 블록 상부표면을 통한 전체 열량은 증가하게 되어 동일한 열유속조건에서는 오히려 열전달성능이 떨어지는 현상으로 기인된다. 따라서 w/h가 증가할수록 유체와 접하는 면이 증가하게 되어 약간의 압력손실이 증가함으로써 열전달성능에는 큰 기여를 하지 못함을 알 수 있었다.
7(a)의 국소열전달특성을 보면, 기본모델에서 나타낸 결과와 동일하게 1번 블록 상면에서 역 열전달현상이 발생하며, 3번 블록에서 가장 최대의 열전달계수 값을 나타남을 볼 수 있다. 따라서 열유속 변화에 따른 결과로 열원을 증가할수록 열전달성능이 향상되는 점을 알 수 있었다. Fig.
1 위치의 경우가 채널 입구방향에 가깝게 위치하고 있어 유동의 영향을 크게 받게 되어 4개의 가열블록 전체에 열전달효과를 증대시키지만, 난류발생기를 그 이후인 후단에 설치하는 경우는 4개의 블록 전체에 유동의 영향을 크게 주지 못하므로 열전달효과가 떨어짐을 알 수 있다. 또한 압력강하특성은 난류발생기의 위치를 채널 출구방향에 가깝게 위치할수록 채널 하부에 직접적인 영향을 받으므로 해당 블록 후단의 재순환영역의 크기가 달라지고 압력강하 특성도 달라짐을 알 수 있다.
다만 h/w를 증가시킬수록 역 열전달현상에 의한 1번 블록 후단에서의 열전달계수 값은 증가하는 것으로 나타났다. 전체적으로 볼 때, h/w가 증가할수록 열전달특성은 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 블록 폭비율(w/h)에 따른 조건과 달리 블록 높이비(h/w)에 따른 조건은 동일한 블록 간격에서 블록 높이만 변화시켰기 때문에 h/w가 증가할수록 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SST 난류모델의 장점은?	본 연구에서 수평채널내의 내부유동은 2차원 정상상태, 비압축성 난류유동으로 가정하고, 유동의 박리, 재순환유동 등의 난류류경계층 해석에 우수한 성능을 보이는 SST(Shear Stress Transport) k-ω 난류모델을 적용하였으며, 지배방정식은 다음과 같다[12].
	본 연구에서 수평채널내의 내부유동에서 가정한 것은?	본 연구에서 수평채널내의 내부유동은 2차원 정상상태, 비압축성 난류유동으로 가정하고, 유동의 박리, 재순환유동 등의 난류류경계층 해석에 우수한 성능을 보이는 SST(Shear Stress Transport) k-ω 난류모델을 적용하였으며, 지배방정식은 다음과 같다[12].
	본 연구에서는 가장 해석에 근사한 결과를 나타난 SST k-w 난류모델을 적용한 이유는?	그 결과로 이들 3가지 난류모델 중에서 박리유동 및, 재순환유동 등의 난류경계층 해석에 적합하다고 알려진 SST k-w 난류모델이 실험값과 비교했을 때 평균오차 3.0% 이내외로 근사치를 보여 수치해석의 타당성을 검증할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 가장 해석에 근사한 결과를 나타난 SST k-w 난류모델을 적용하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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