후퇴익형 형상의 와류발생기가 있는 핀휜 유동의 전열 및 유동 특성 분석에 관한 수치적 연구 Numerical Study on Heat Transfer and Flow Characteristics of Pin Fin with Swept Airfoil Shape Vortex Generator원문보기
이창형
(Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)
,
오영택
(Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)
,
배지환
(Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)
,
이득호
(Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)
,
김귀순
(Department of Aerospace Engineering, Pusan National University)
본 연구에서는 터빈 냉각에 널리 사용되는 핀-휜 배열에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서 원형 튜브 전방에 익형 와류발생기가 위치하며, 익형 단면 형상은 NACA-9410을 사용하였다. 본 논문에서는 와류 발생기가 있는 핀-휜 배열 유동의 전열 성능과 유동 특성을 수직인 방향으로 변화시키며 기존의 핀-휜 유동과 비교하였다. 레이놀즈수 영역은 6000, 10000 그리고 15000 세 가지를 계산하였다. 전산 해석은 상용 프로그램인 ANSYS v18.0 CFX, 난류 모델은 $k-{\omega}$ SST를 사용하였다. 결과적으로 전열 성능은 최대 5.8% 증가하였고 압력 손실은 1% 미만으로 증가하였다.
본 연구에서는 터빈 냉각에 널리 사용되는 핀-휜 배열에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서 원형 튜브 전방에 익형 와류발생기가 위치하며, 익형 단면 형상은 NACA-9410을 사용하였다. 본 논문에서는 와류 발생기가 있는 핀-휜 배열 유동의 전열 성능과 유동 특성을 수직인 방향으로 변화시키며 기존의 핀-휜 유동과 비교하였다. 레이놀즈수 영역은 6000, 10000 그리고 15000 세 가지를 계산하였다. 전산 해석은 상용 프로그램인 ANSYS v18.0 CFX, 난류 모델은 $k-{\omega}$ SST를 사용하였다. 결과적으로 전열 성능은 최대 5.8% 증가하였고 압력 손실은 1% 미만으로 증가하였다.
In this study, pin-fin arrays, which are widely used for cooling turbine blades, were studied. The vortex generator in pin-fin arrays is located in front of the circular tube. The cross-section of the vortex generator is NACA-9410. The purpose of this study is to analyze heat transfer performance an...
In this study, pin-fin arrays, which are widely used for cooling turbine blades, were studied. The vortex generator in pin-fin arrays is located in front of the circular tube. The cross-section of the vortex generator is NACA-9410. The purpose of this study is to analyze heat transfer performance and flow characteristics of pin-fin arrays. The position of vortex generator is changed with the vertical flow direction on the bottom wall. Pin-fin arrays were calculated with 6000, 10000 and 15000 Reynolds number. The commercial program ANSYS v18.0 CFX and the turbulence model $k-{\omega}$ SST were used. As a result, the heat transfer performance increased up to 5.8% and pressure loss increased less than 1%.
In this study, pin-fin arrays, which are widely used for cooling turbine blades, were studied. The vortex generator in pin-fin arrays is located in front of the circular tube. The cross-section of the vortex generator is NACA-9410. The purpose of this study is to analyze heat transfer performance and flow characteristics of pin-fin arrays. The position of vortex generator is changed with the vertical flow direction on the bottom wall. Pin-fin arrays were calculated with 6000, 10000 and 15000 Reynolds number. The commercial program ANSYS v18.0 CFX and the turbulence model $k-{\omega}$ SST were used. As a result, the heat transfer performance increased up to 5.8% and pressure loss increased less than 1%.
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문제 정의
본 논문에서는 후퇴각이 있는 익형 형상의 단면을 가지는 와류발생기를 핀-휜 배열 중 원형 튜브 전방에 위치시켜 연구를 진행하였다. 또한 와류발생기의 위치를 변화시키며 전열 성능 및유동 특성에 관한 수치적 연구를 수행하였다. 와류발생기 끝단의 압력면에서 흡입면 방향으로 유체가 이동하며 종방향 와류가 발생하기 때문에 앞서 언급한 종 방향 와류의 전열 성능 개선 효과도 기대 할 수 있다.
와류발생기 끝단의 압력면에서 흡입면 방향으로 유체가 이동하며 종방향 와류가 발생하기 때문에 앞서 언급한 종 방향 와류의 전열 성능 개선 효과도 기대 할 수 있다. 바닥 면에서 발달되는 경계층의 영향으로 인해 복잡한 유동이 생겨나는 현상을 방지하고자 익형 형상에 후퇴각을 주어 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 후퇴각이 있는 익형 형상의 단면을 가지는 와류발생기를 핀-휜 배열 중 원형 튜브 전방에 위치시켜 연구를 진행하였다. 또한 와류발생기의 위치를 변화시키며 전열 성능 및유동 특성에 관한 수치적 연구를 수행하였다.
제안 방법
첫 번째 열의 원형 튜브 중심이 좌표 기준점이며, 계산에 사용된 익형 형상 와류발생기의 위치를 Table 2에 나타내었다. Position 1에서 5까지 와류발생기의 횡 방향 위치를 변화시키며 레이놀즈수 6000, 10000, 15000에 대해 전산해석을 수행하였다. 전산해석으로 얻은 Colburn factor 결과를 기존 핀-휜 유동과 비교한 값으로(\(j/j\)\(0\)) Fig.
형상이 반복되는 면에는 대칭 경계 조건을 주었다. 입구 레이놀즈수 6000, 10000, 15000에 대한 수치해석을 실시하였다.
전산해석으로 핀-휜 배열의 유동과 후퇴익형 와류발생기가 있는 핀-휜 유동의 전열 성능 및 유동 특성을 비교해보았다. 와류발생기가 있는 유동이 기존의 핀-휜 유동보다 전열 성능이 레이 놀즈수 6000, 10000, 15000 따라 각각 최대 5.
1 과 같다. 전산해석을 위해 전방으로 7.5D, 후방으로 15D 만큼 떨어진 곳에 경계를 설정하였다. 와류발생기의 단면 익형은 Fig.
대상 데이터
2에 나타내었다. 격자수가 410만개 이상인 경우 Friction factor와 Colburn factor의 차이가 2% 미만이므로 최종적으로 410만개 정도의 격자를 선택하여 계산을 진행하였다.
데이터처리
따라서 핀-휜 배열의 전체적인 성능을 비교하기 위해 Goodness factor를 비교하였다. Goodness factor는 Colburn factor와 Friction factor의 비 (\((j/f)\) )로 나타내며 그 결과를 Fig.
5 같이 표현된다. 벽면에서 Y+는 1보다 작은 값으로 계산하였으며, 격자 생성과 유체 해석은 상용프로그램 ANSYS v18.0 Meshing과 CFX를 각각 사용하였다[8].
이론/모형
계산 결과로서 전열 성능과 압력 손실 특성은 각각 Eq. 6, 7 및 8에 정의된 Nu수, Colburn factor와 Friction factor를 통해 평가한다. Eq.
본 연구에서는 익형 와류발생기가 부착된 핀-휜 배열의 전열 성능을 비교하기 위한 기본 형상으로 Goldstein 등[9]의 연구에서 사용한 엇갈린핀-휜 배열과 동일한 형상을 사용하였다. Table 1에 핀-휜 배열 형상의 자세한 정보가 나와 있으며 이를 바탕으로 구성한 계산 영역의 형상은 Fig.
정상상태 난류 해석을 위해 역압력 구배 및 박리영역 예측에 높은 정확도를 보이는 k-ω SST 모델을 사용하였다.
성능/효과
하지만 레이놀즈수 15000의유동에선 Position 1의 유동의 Friction factor가 가장 낮으며 모든 레이놀즈수 영역에서 Position 1은 다른 위치와 다르게 레이놀즈수가 커질수록 Friction factor가 점점 작아지는 경향을 보인다. Friction factor는 레이놀즈수 6000, 10000, 15000에서 각각 최소 0.1%(Position 2), 0.2%(Position 2), 0.1%(Position 1)만큼 손실이 증가하였으며, 기존의 핀-휜 유동에 비해 크게 차이나지 않는다. 핀-휜 유동에서 Colburn factor와 Friction factor는 핀-휜 유동에서 일반적으로 반대 경향을 보인다.
Fiebig 등[4]은 와류발생기가 경계층 발달, 스월 그리고 유동 불안정의 세 가지 과정을 통해 전열 성능이 향상된다고 말한다. 또한 날개 (wing) 형상보다 윙릿(winglet) 형상의 와류발생 기가 더 효과적이며 윙릿 형상에서 발생하는 종방향 와류가 날개 형상의 횡 방향 와류보다 전열 성능이 우수함을 실험적으로 증명하였다. 와류발생기를 이용한 핀-휜 유동 특성 개선 연구인 Joardar 등[5]의 실험적 연구에서 삼각 윙릿(delt a winglet) 와류발생기를 직렬 배열에 적용하여 실험적 연구를 하였으며, He 등[6]은 하나의 삼각 윙릿과 작은 삼각 윙릿 2개를 나란히 이어 붙인 형상에 대해 전열 성능을 비교·분석하였다.
레이 놀즈수 10000과 15000에서는 Position 2이 가장 높고 Position 2의 위치에서 멀어질수록 점점 낮아지는 것을 볼 수 있다. 레이놀즈수 6000, 10000, 15000에서 각각 최대 5.8%(Position 4), 4.4% (Position 2), 2.5%(Position 2) 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 전체적인 전열 성능은 레이놀즈수가 커질수록 기존의 핀-휜 유동과의 차이가 점점 작아지게 된다.
5에 나타내었다. 와류발생기가 있는 모든 계산 결과가 기존의 핀-휜 유동에 비해 전열 성능이큰 것을 확인하였다. 기존의 핀-휜 유동과 비교하여 레이놀즈수 6000에서는 Colburn factor가 Position 4까지 증가하다가 감소하는 경향을 보인다.
1%의 미세한 증가를 보인다. 와류발생기가 있는 유동의 Goodness factor는 Position 2의 위치가 모든 레이놀즈수 영역에서 다른 위치의 와류발생기보다 Goodness factor가 높은 것을 확인하였다.
전산해석으로 핀-휜 배열의 유동과 후퇴익형 와류발생기가 있는 핀-휜 유동의 전열 성능 및 유동 특성을 비교해보았다. 와류발생기가 있는 유동이 기존의 핀-휜 유동보다 전열 성능이 레이 놀즈수 6000, 10000, 15000 따라 각각 최대 5.8%, 4.4%, 2.5%의 성능이 향상되었다. 하지만 레이놀즈수가 높아질수록 전열 성능의 증가 폭은 작아 진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
핀-휜 배열은 어디에 쓰이는가?
핀-휜 배열은 단순한 구조에 비해 높은 전열 성능을 가지고 있어 산업 및 항공기 가스터빈 냉각 시스템, 산업용 열교환기뿐만 아니라 실생 활에서도 널리 쓰이고 있다. 핀-휜 배열은 단순한 구조에 비해 복잡한 유동 현상으로 높은 전열 성능을 가지고 있지만 동시에 큰 압력 손실을 동반하게 된다.
핀-휜 배열의 장단점은 무엇인가?
핀-휜 배열은 단순한 구조에 비해 높은 전열 성능을 가지고 있어 산업 및 항공기 가스터빈 냉각 시스템, 산업용 열교환기뿐만 아니라 실생 활에서도 널리 쓰이고 있다. 핀-휜 배열은 단순한 구조에 비해 복잡한 유동 현상으로 높은 전열 성능을 가지고 있지만 동시에 큰 압력 손실을 동반하게 된다. 압력 손실이 큰 유동은 같은 유량을 얻기 위해 더 많은 동력을 필요로 한다.
참고문헌 (11)
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Simoneau, R. J., VanFossen Jr., G. J..
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