[논문]주기적인 입구 속도 변동에 따른 원관 주위 유동 및 열전달 특성

하지수

doi:10.7842/kigas.2019.23.3.27

주기적인 입구 속도 변동에 따른 원관 주위 유동 및 열전달 특성
Flow and Heat Transfer Characteristics of a Circular Cylinder with the Periodic Inlet Velocity 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.3, 2019년, pp.27 - 32

초록
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본 연구에서는 단일 원관에서 입구의 유속이 일정한 경우와 주기적인 변동이 있는 경우에 대하여 시간에 따라 원관 주위에서 와류 분포와 온도 분포 변화를 비교 분석하였다. 또한, 양력과 항력의 시간 변화와 PSD(power spectral density)를 분석하여 유동의 주파수 특성을 규명하였다. 일정 입구 유속의 경우는 잘 알려진 칼만 와류 분포를 보여 주었으며 원관의 상하에서 교대로 와류가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 주기적인 입구 유속 변동의 경우는 원관의 상하에서 동시에 와류가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 두 가지 모두 시간에 따른 온도 분포 변화는 와류 분포 변화와 거의 유사하게 거동하는 것을 확인할 수 있었다. 일정 입구 유속의 경우의 와류 유동 주파수는 31.15 Hz 이며 주기적인 입구 유속의 경우는 와류 유동 주파수는 입구 유속의 주파수와 동일하게 15.57 Hz으로 나타났다. 원관 표면 평균 누셀수는 일정 입구 유속의 경우는 99.6이며 주기적인 입구 유속 변동의 경우는 110.7로 나타나서 주기적인 입구 속도 변동의 경우가 열전달이 11.1% 증가하는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the vorticity distribution and the temperature distribution change around a circular cylinder were compared and analyzed with time for constant inlet velocity and periodic inlet velocity. Also, the frequency characteristics of the flow were analyzed by analyzing the time variation of lift and drag and their PSD(power spectral density). In the case of constant inlet velocity, the well known Karman vorticity distribution was shown, and vortices were alternately generated at the upper and lower sides of the circular cylinder. In case of periodic inlet velocity, it was observed that vortex occurred simultaneously in the upper and lower sides of the circular cylinder. In both cases, it was confirmed that the time dependent temperature distribution changes almost the same behavior as the vorticity distribution. For the constant inlet velocity, the vortex flow frequency is 31.15 Hz, and for the periodic inlet velocity, the vortex flow frequency is equal to the preriodic inlet velocity at 15.57 Hz. The mean surface Nusselt number was 99.6 for the constant inlet velocity and 110.7 for the periodic inlet velocity, which showed 11.1% increase in surface heat transfer.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Configuration of a circular cylinder mesh and its boundary types for CFD analysis. Circular cylinder diameter : 0.0508m, horizontal duct length : 7m, vertical duct width : 0.508m.
그림 Fig. 2. Vorticity and temperature contours at several time steps for (a) constant inlet velocity and (b) periodic inlet velocity.
그림 Fig. 3. Time history of inlet velocity, lift and drag coefficient fluctuations: lift coeff. for constant inlet velocity and drag coeff. for periodic inlet velocity.
그림 Fig. 4. Nondimensional PSD of lift and drag fluctuation: lift PSD for constant inlet velocity and drag PSD for periodic inlet velocity.
그림 Fig. 5. Time history of surface Nusselt number of the circular cylinder for constant inlet velocity and periodic inlet velocity.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 단일 원관에서 주기적인 입구 속도 변동에 따른 유동 특성과 열전달 특성을 전산유체 해석을 통해 살펴보기로 한다. Fig.
본 연구에서는 지금까지의 연구들에서와 같이 단일 원관의 전방에서 일정한 속도로 유입되는 경우와 원관의 전방에서 주기적인 속도 변동이 있는 경우에 주기적인 입구 속도 변동에 따른 와류 분포 변화와 양력과 항력의 변화 등의 유동 특성을 비교분석하고 원관 표면에서의 열전달 특성을 살펴보기로 한다. 이렇게 하여 입구 유동이 주기적인 속도 변동이 있을 때의 유동 특성과 열전달 특성을 규명하는 것을 목적으로 수행하였다.
본 연구에서는 지금까지의 연구들에서와 같이 단일 원관의 전방에서 일정한 속도로 유입되는 경우와 원관의 전방에서 주기적인 속도 변동이 있는 경우에 주기적인 입구 속도 변동에 따른 와류 분포 변화와 양력과 항력의 변화 등의 유동 특성을 비교분석하고 원관 표면에서의 열전달 특성을 살펴보기로 한다. 이렇게 하여 입구 유동이 주기적인 속도 변동이 있을 때의 유동 특성과 열전달 특성을 규명하는 것을 목적으로 수행하였다.

가설 설정

75 Hz를 이용하였다. 원관 표면의 온도는 100℃로 설정하였다. 본 연구의 비정상상태 해석에서 시간 간격은 0.

제안 방법

75 Hz로 설정하였다. 변화 속도 크기를 여러 가지로 할 수 있고 변화 속도 주파수를 여러 가지로 할 수 있지만 본 연구에서는 각각 모두 일정 입구 유속에서 설정한 속도 크기의 1/2, 칼만 와류 주파수의 1/2로 설정하여 분석하였다. 향후의 연구에서 속도 크기와 주파수를 변화하여 특성을 분석할 예정이다.
앞 절에서 일정한 입구 유속일 때와 입구 유속이 주기적으로 변할 때의 와류와 온도 분포 변화를 살펴보았다. 두 가지 유속 조건에서 모두 주기적인 와류와 온도 변화 특성이 있음을 알 수 있었다.
와류와 온도의 주기적인 변화에 대한 주파수 특성을 정량적으로 분석하기 위하여 일정 입구 유속의 경우에는 양력 변동을, 주기적인 입구 유속의 경우에는 항력의 변동을 이용하여 양력과 항력 변동의 무차원 PSD(power spectral density)를 도출하여 살펴보기로 한다. 양력의 무차원 PSD는 다음과 같이 정의되며 항력의 무차원 PSD는 아래의 식에서 양력 대신 항력으로 대체하면 된다.
원관 표면에서의 열전달 특성을 표면 누셀수로 분석하였다. 일정 입구 유속의 경우는 평균 Nu 값이 99.

이론/모형

각 경우의 유동 특성 해석을 위해 사용한 프로그램은 SIMPLE 알고리즘[8]을 채택한 상용 열유체 전산해석 프로그램인 Fluent ver. 17 프로그램을 이용하였고 유동장은 약 100만개의 격자로 구성하였다.

성능/효과

주기적인 입구 유속 변동의 경우에는 원관의 상하에서 동시에 와류가 생성, 발달되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다. 두 가지 경우에 모두 온도 분포 특성은 와류 분포 특성과 거의 일치하여 변하는 것을 확인할 수 있었다.
3에 양력계수 변동만 나타내었다. 일정 입구 유속의 경우 한 주기 동안의 항력 변동의 %RMS(root mean square) 값은 양력 변동의 % RMS 값의 약 4.71%로 나타났다.
일정 입구 유속의 경우는 양력이 항력보다 큰 값이고 주기적인 입구 유속 변동의 경우는 항력이 양력보다 큰 값을 나타났기 때문에 유동 주파수는 일정 입구 유속의 경우는 양력으로, 주기적인 입구 유속 변동의 경우는 항력으로 분석하였고 각각 31.15 Hz와15.75 Hz 로 나타났다.
원관 표면에서의 열전달 특성을 표면 누셀수로 분석하였다. 일정 입구 유속의 경우는 평균 Nu 값이 99.6으로 나타났으며 주기적 입구 속도 변동의 경우은 110.7로 나타나서 이 경우는 일정 입구 유속의 경우보다 11.1% 증가한 것으로 나타났다.
일정 입구 유속의 경우에 한 주기 동안의 시간 변화에 따른 와류 분포 변화는 잘 알려진 칼만 와류 분포 변화로 재현되었으며 원관의 상하에서 교대로 와류가 생성되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다. 주기적인 입구 유속 변동의 경우에는 원관의 상하에서 동시에 와류가 생성, 발달되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다.
5에 일정 입구 유속의 경우와 주기적인 입구 유속 변화의 경우에 원관 표면에서 누셀수(Nu, Nusselt number)의 시간에 따른 변화를 나타내었다. 일정 입구 유속의 경우에는 평균 Nu 값이 99.6으로 나타났으며 시간에 따른 Nu 변동 진폭은 상대적으로 크지 않게 나타났다. 일정 입구 유속의 경우에는 잘 알려진 Zukauskas[9]가 제안한 Nu 상관식으로 계산한 값이 102.
일정 입구 유속의 경우에 한 주기 동안의 시간 변화에 따른 와류 분포 변화는 잘 알려진 칼만 와류 분포 변화로 재현되었으며 원관의 상하에서 교대로 와류가 생성되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다. 주기적인 입구 유속 변동의 경우에는 원관의 상하에서 동시에 와류가 생성, 발달되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다. 두 가지 경우에 모두 온도 분포 특성은 와류 분포 특성과 거의 일치하여 변하는 것을 확인할 수 있었다.
주기적인 입구 유속 변화의 경우에는 양력 변동의 %RMS 값이 항력 변동의 %RMS 값의 4.36%로 나타났는데 이에 따라 주기적인 입구 유속 변화의 경우에는 항력 변동만 나타내었다. 또한 이 경우에는 주기적인 입구 속도 변화도 함께 나타내었다.

후속연구

변화 속도 크기를 여러 가지로 할 수 있고 변화 속도 주파수를 여러 가지로 할 수 있지만 본 연구에서는 각각 모두 일정 입구 유속에서 설정한 속도 크기의 1/2, 칼만 와류 주파수의 1/2로 설정하여 분석하였다. 향후의 연구에서 속도 크기와 주파수를 변화하여 특성을 분석할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열교환기의 역할은?	석탄 화력발전소나 배열회수 보일러 등의 발전 설비에서 연소로에서 생성된 고온의 연소 가스 열원을 여러 종류의 열교환기로 과열 증기를 만들어 스팀 터빈을 구동하여 전기를 생산하여 이용하고 있다. 이러한 열교환기는 고온의 유체와 저온의 유체 사이의 열전달을 통해 저온 유체의 온도를 상승시키는 역할을 한다. 열교환기는 주로 원형의 관으로 된 전열관군으로 이루어 져 있고 전열관군은 외부에 고온의 배기가스가 흐르게 된다.
	유동의 주파수 특성을 알아보기 위해 분석한 것은?	본 연구에서는 단일 원관에서 입구의 유속이 일정한 경우와 주기적인 변동이 있는 경우에 대하여 시간에 따라 원관 주위에서 와류 분포와 온도 분포 변화를 비교 분석하였다. 또한, 양력과 항력의 시간 변화와 PSD(power spectral density)를 분석하여 유동의 주파수 특성을 규명하였다. 일정 입구 유속의 경우는 잘 알려진 칼만 와류 분포를 보여 주었으며 원관의 상하에서 교대로 와류가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다.
	시간에 따른 온도 분포 경향이 와류 분포 변화와 비슷한 경향일 때 알 수 있는 것은?	시간에 따른 온도 분포 경향은 왼쪽의 와류 분포 변화와 거의 같은 경향을 보이고 있다. 즉, 원관 벽면에서 상승한 온도의 유체는 원관의 칼만 와류와 같은 움직임을 보이고 있는 것을 알 수 있다.

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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