[논문]가이드 베인을 부착한 핀-휜 유동에서 가이드 베인 위치와 입사각에 따른 전열 및 유동 특성에 관한 수치적 연구

이득호; 오영택; 배지환; 이창형; 김귀순

doi:10.6108/kspe.2019.23.3.035

가이드 베인을 부착한 핀-휜 유동에서 가이드 베인 위치와 입사각에 따른 전열 및 유동 특성에 관한 수치적 연구
Numerical Study on the Effect of Guide Vane Position and Angle on Heat Transfer and Flow Characteristics of a Pin-fin Channel with a Guide Vane 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.23 no.3, 2019년, pp.35 - 43

이득호 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 오영택 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 배지환 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 이창형 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University) , 김귀순 (Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)

초록
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본 연구에서는 핀-휜이 있는 유로에 위치와 유동 입사각이 다른 가이드 베인을 부착하여 전열 성능 및 압력 강하 특성 변화를 분석하였다. 레이놀즈수가 1400일 때 가이드 베인의 위치와 입사각에 따른 전열 성능과 유동 특성을 수치해석으로 확인하였고, 핀-휜 만 있는 해석 결과와 비교하였다. 수치해석을 수행한 결과, Case 1의 입사각 $0^{\circ}$일 경우에 전열 성능이 최대가 되고 핀-휜 만 있는 유로에 비해 약 5% 향상되었다. Case 2의 입사각 $10^{\circ}$일 경우에 압력 손실이 최소가 되고 약 1.9% 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a guide vane with varying positions and incidence angles was adopted to a pin-fin channel to analyze the change in thermal performance and pressure loss characteristics. A numerical analysis was conducted to investigate the effect of incidence angles and positions on heat transfer and flow characteristics at Re =1400. The results of it were compared those of a pin-fin channel without a guide vane. In case 1 when the incidence angle is $0^{\circ}$, the heat transfer performance is maximized and improved by approximately 5% when compared to the pin-fin channel without the guide vane. In case 2 when the incidence angle is $10^{\circ}$, the pressure loss is minimized and decreased by approximately 1.9% when compared to the pin-fin channel without the guide vane.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 논문에서는 엇갈린 배열의 핀 -휜 유로에서 핀 후류 박리 영역을 제어하기 위해 가이드 베인을 부착하였으며, 이에 따른 전열 성능과 유동 특성의 변화를 확인하였다.

가설 설정

비압축성 유동으로 가정하고 계산을 진행하였기 때문에 밀도는 변하지 않는 조건을 사용하였다.
유로에 흐르는 유동은 정상상태라고 가정하며, 유로 내부의 유동은 비압축성 유동으로 가정하였다.

제안 방법

k-ω SST 난류 모델을 사용하였기 때문에 모든벽면 근처에 격자를 밀집시켜 y+가 1보다 낮은값을 가지도록 핀 구간의 격자를 구성하였다.
각 위치에서 입사각을 변경해가며 각 Case의 Colburn factor와 Friction factor를 핀-휜 만 있는 유로의 Colburn factor (j0)와 Friction factor(f0)로 나누어준 값인 Colburn factor ratio(j/j0)와 Friction factor ratio(f/f0)를 계산하여 그래프에 도시하였다.
각각 상류 구간, 핀 구간 그리고 하류 구간으로 나누었다.
또한 가이드 베인의 형상 변수가 전열 성능과 유동에 미치는 영향을 확인하기 위해 가이드 베인 앞전(Leading edge) 위치와 유동 입사각을 변경하였다.
또한 두 레이놀즈수 영역에서 SIMPLEX 방법으로 와류 발생기의 형상, 위치, 회전각과 받음각을 최적화하는 수치적 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 수치해석을 이용하여 엇갈린 배열의 핀-휜 유로와 동일 유로의 첫 번째 핀 주위에 가이드 베인을 부착하였다.
본 연구의 신뢰도를 얻기 위해 Wang 등[8]이 제안한 핀-휜 열교환기에서 레이놀즈수에 따른 Colburn factor 상관식과 전산 해석 결과를 비교하여 검증하였다.
상류와 하류 구간의 윗면과 아랫면은 경계층이 발달하지 않고 유동이 들어오고 나가는 핀 외부의 환경과 z 방향으로 적층된 핀-휜 유로를 모사하기 위해 주기조건을 주었다.
선정한 형상 변수에 따른 전열 성능과 유동 특성의 변화를 수치적 기법을 통하여 연구하였다.
수치 해석에 사용한 격자계 검증을 위해 격자수를 변경해 가며 격자 의존도를 확인하였다.
이 때 전열 성능 및 유동 특성을 가이드베인의 위치와 입사각에 따라 비교하였다.
이 연구는 정배열, 엇갈린 배열 두 가지의 핀-휜 유로를 기반으로 수치해석을 진행하였다[6].
핀 구간의 윗벽, 아랫벽과 가이드 베인에 점착 조건(No-slip condition)을 주었고, 300 K의 일정 온도가 유지되는 벽면 조건을 이용하였다.
핀 구간의 전체 Colburn factor와 Friction factor를 비교하여 격자 의존도 테스트를 진행하였다.
핀-휜 배열에 x 방향으로 위치를 변경해가며 가이드 베인을 부착하였고 각 위치에서 입사각을 바꾸어 가며 수치해석을 진행하였다.

대상 데이터

가이드 베인의 길이(lgv)는 0.392(D+2δ)이며,가이드 베인으로 인해 유동 각도의 변화 폭이 크도록 길이를 기준으로 최대 캠버는 9.5%로 하였고, 캠버 포지션은 40% 그리고 가이드 베인의 두께로 인해 발생하는 압력 손실을 줄이기 위해 두께는 1%인 익형을 사용하였다.
그러므로 본 연구에서는 193만 개 수준의 격자를 이용하여 수치해석을 진행하였다.

이론/모형

수치해석은 Ansys사의 CFX를 이용하였다.
핀 후류의 난류를 모사하기 위해 난류 모델은 Salvi ano 등[5,6]이 핀-휜 유동 연구에 이용하였던 k- ω SST(Shear Stress Transport)를 사용하였다.

성능/효과

(a)의 박리 영역에 비해 많이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
0°에서 10°까지는 입사각이 증가함에 따라 Friction factor ratio가 감소하는 경향을 보였고, 10° 이후는 다시 증가하는 추이를 보였다.
1. Case 1의 입사각이 0°일 경우 Colburn fact or가 핀-휜 만 있는 유로에 비해 5% 증가하였고, 이 증가 수치는 연구에서 진행한 수치해석 결과 중 가장 높은 값이다.
2. Friction factor는 각 위치에서 입사각이 각각5°, 10°, 25°일 경우 핀-휜 만 있는 유로에비해 각각 1.8%, 1.9%, 1.6% 감소하는 것을확인하였다.
3. 가이드 베인은 유동의 방향을 바꾸어 핀 후류의 박리 영역을 감소시킨다.
Case 2와 C ase 3에서도 입사각이 0°일 때 가장 높은 C olburn factor가 나왔고, 핀-휜 만 있는 유로에 비해 4.1%, 3.3% 증가하였다.
격자 의존도 확인 결과 약 193만 개의 격자 이후로는 핀 구간 전체의 Colburn factor와 Friction factor의 변화량이 1% 미만으로 나타났다.
또한, 입사각이 증가함에 따라 Friction factor ratio는 감소하고 일정 입사각이후 다시 증가하는 추이를 보였다.
입사각이 0°일 때 수치해석 결과 중 가장 높은 Colburn factor를 가지며, 이는 핀-휜 만 있는 유로에 비해 약 5% 증가한 수치이다.

참고문헌 (8)

Torii, K., Kwak, K.M., Nishino, K.. Heat transfer enhancement accompanying pressure-loss reduction with winglet-type vortex generators for fin-tube heat exchangers. International journal of heat and mass transfer, vol.45, no.18, 3795-3801.

상세보기
Song, K., Xi, Z., Su, M., Wang, L., Wu, X., Wang, L.. Effect of geometric size of curved delta winglet vortex generators and tube pitch on heat transfer characteristics of fin-tube heat exchanger. Experimental thermal and fluid science : ETF science, vol.82, 8-18.

상세보기
Gong, Bao, Wang, Liang-Bi, Lin, Zhi-Min. Heat transfer characteristics of a circular tube bank fin heat exchanger with fins punched curve rectangular vortex generators in the wake regions of the tubes. Applied thermal engineering, vol.75, 224-238.

상세보기
Sinha, A., Chattopadhyay, H., Iyengar, A.K., Biswas, G.. Enhancement of heat transfer in a fin-tube heat exchanger using rectangular winglet type vortex generators. International journal of heat and mass transfer, vol.101, 667-681.

상세보기
Salviano, Leandro O., Dezan, Daniel J., Yanagihara, Jurandir I.. Optimization of winglet-type vortex generator positions and angles in plate-fin compact heat exchanger: Response Surface Methodology and Direct Optimization. International journal of heat and mass transfer, vol.82, 373-387.

상세보기
Salviano, L.O., Dezan, D.J., Yanagihara, J.I.. Thermal-hydraulic performance optimization of inline and staggered fin-tube compact heat exchangers applying longitudinal vortex generators. Applied thermal engineering, vol.95, 311-329.

상세보기
Jang, J.Y., Hsu, L.F., Leu, J.S.. Optimization of the span angle and location of vortex generators in a plate-fin and tube heat exchanger. International journal of heat and mass transfer, vol.67, 432-444.

상세보기
Wang, Chi-Chuan, Chi, Kuan-Yu, Chang, Chun-Jung. Heat transfer and friction characteristics of plain fin-and-tube heat exchangers, part II: Correlation. International journal of heat and mass transfer, vol.43, no.15, 2693-2700.

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