[논문]핀-튜브에서 와류 발생기와 가이드 베인의 유동 및 전열 성능 특성에 관한 비교 연구

배지환; 오영택; 이창형; 이득호; 김귀순

doi:10.20910/jase.2020.14.3.1

핀-튜브에서 와류 발생기와 가이드 베인의 유동 및 전열 성능 특성에 관한 비교 연구
A Comparative Study on the Flow and Heat Transfer Performance Characteristics of Vortex Generators and Guide Vane in Fin-Tube 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.14 no.3, 2020년, pp.1 - 9

배지환 (부산대학교 항공우주공학과) , 오영택 (부산대학교 항공우주공학과) , 이창형 (부산대학교 항공우주공학과) , 이득호 (부산대학교 항공우주공학과) , 김귀순 (부산대학교 항공우주공학과)

초록
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본 논문에서는 델타 윙렛 와류 발생기와 후퇴익형 와류 발생기 그리고 가이드 베인이 핀-튜브 유동에서의 압력 손실과 전열 성능에 미치는 효과를 비교하는 연구를 진행하였다. 와류 발생기와 가이드 베인은 채널 높이와 튜브의 지름을 기준으로 무차원화하였고, 위치는 저자들의 연구 결과에 따라 각각의 형상이 우수한 지점을 선정하였다. 레이놀즈 수는 입구 속도와 튜브 지름을 기준으로 하여 1400~8000으로 선정하였다. 결과적으로 압력 손실은 레이놀즈 수 8000에서 가이드 베인이 기존 핀-튜브 대비 4.7% 감소하는 효과를 보였고, 전열 성능은 레이놀즈 수 3800에서 델타 윙렛 와류 발생기가 기존 핀-튜브 대비 33% 정도 증가하는 결과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the effects of the delta winglet vortex generator, the airfoil vortex generator and the guide vanes on the friction factor and the Colburn factor in the fin-tube flow were studied. The vortex generator and guide vane were non-dimensionalized based on the channel height and tube diameter, and locations were selected according to the authors' suggestions. The Reynolds number based on the inlet velocity and the tube diameter was selected in the range of 1400-8000. As a result, the friction factor resulted in a 4.7% decrease in guide vanes at the Reynolds number 8000 over the conventional fin-tube, and the Colburn factor resulted in a 33% increase in the delta winglet vortex generator at the Reynolds number 3800 over the conventional fin-tube.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Computational domain of fin-tube
표 Table 1 Geometric dimension of fin-tube channel
표 Table 2 Geometric dimension of Delta winglet, Airfoil, Guide vane
그림 Fig. 2 Computational domain and Schematic : (a) Baseline, (b) Delta winglet, (c) Airfoil, (d) Guide vane
그림 Fig. 3 Grid independency
표 Table 3 Geometric dimension of validation model
그림 Fig. 4 Comparison of Nusselt number with experimental data
그림 Fig. 5 Friction and Colburn factor distribution for Reynolds number
그림 Fig. 6 Goodness factor distribution for Reynolds number
그림 Fig. 7 Span-average pressure for Re=1400
그림 Fig. 8 Span-average pressure for Re=8000
그림 Fig. 9 Span-average Colburn factor for Re=1400
그림 Fig. 10 Span-average Colburn factor for Re=8000
그림 Fig. 11 Velocity contour top view at Z/H=0.1, (a) Baseline, (b) Delta winglet, (c) Airfoil, (d) Guide vane
그림 Fig. 12 Pressure contour about x-position (a) Baseline, (b) Delta winglet, (c) Airfoil, (d) Guide vane

AI 본문요약
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제안 방법

그러므로 본 논문에서는 Salviano 등의 핀-튜브 유로[6]를 기반으로 열교환기에서 주로 사용되는 Joardar 등의 델타 윙렛 형상[5]과 Lee 등의 유동의 저항을 줄일 수 있는 익형 형상 단면의 와류 발생기[7] 그리고 Lee 등의 튜브 후류의 박리 영역을 제어하기 위한 가이드 베인 형상[8]을 사용하였다. 각 형상들을 Salviano 등의 채널 높이와 튜브 지름을 기준으로 무차원화하였고[6], 와류 발생기와 가이드 베인의 위치는 저자들의 연구에 따라 Goodness factor가 좋은 위치를 선정하였다. 각형상 별로 압력 손실과 전열 성능에 관해 수치적 연구를 수행하여 효과를 비교하였다.
각 형상들을 Salviano 등의 채널 높이와 튜브 지름을 기준으로 무차원화하였고[6], 와류 발생기와 가이드 베인의 위치는 저자들의 연구에 따라 Goodness factor가 좋은 위치를 선정하였다. 각형상 별로 압력 손실과 전열 성능에 관해 수치적 연구를 수행하여 효과를 비교하였다.
는 유동이 지나는 핀-튜브에서 단면적이 제일 작은 곳의 속도 값이다. 격자 의존도 평가는 핀-튜브, 델타 윙렛 와류 발생기, 후퇴익형 와류 발생기, 가이드 베인 총 4가지 형상에 대하여 격자 의존도를 평가하였고 Fig. 3에 나타내었다. 압력 손실과 전열 성능의 오차가 1~2% 미만일 때의 격자를 선택하여 핀-튜브 형상은 약 200만 개, 나머지 형상들은 약 370만 개의 수준으로 사용하여 수치 해석을 진행하였다.
본 연구에서는 4가지 레이놀즈 수의 범위에서 델타 윙렛 와류 발생기와 후퇴익형 와류 발생기 그리고 가이드 베인이 부착되어 있는 핀-튜브의 수치적 비교 연구를 진행하였다. 압력 손실과 전열 성능에 대한 결과를 확인하였고, 형상에 따른 유동 특성을 확인하였다.
수치 해석의 타당성을 검증하기 위해 Fiebig 등이 실험한 와류 발생기가 없는 일반적인 핀-튜브의 연구 결과로 수치 해석을 진행하였다[11]. 해석 형상의 정보는 Table 3에 나타내었고, 계산은 Fiebig 등의 조건과 같은 조건에서 수행하였다[11].
본 연구에서는 4가지 레이놀즈 수의 범위에서 델타 윙렛 와류 발생기와 후퇴익형 와류 발생기 그리고 가이드 베인이 부착되어 있는 핀-튜브의 수치적 비교 연구를 진행하였다. 압력 손실과 전열 성능에 대한 결과를 확인하였고, 형상에 따른 유동 특성을 확인하였다.
압력 손실과 전열 성능을 비교하여 격자 의존도를 평가하였다. 압력 손실과 전열 성능은 Eq.
3에 나타내었다. 압력 손실과 전열 성능의 오차가 1~2% 미만일 때의 격자를 선택하여 핀-튜브 형상은 약 200만 개, 나머지 형상들은 약 370만 개의 수준으로 사용하여 수치 해석을 진행하였다.
(c)는 후퇴익형 와류 발생기이고 15° 의 받음각(α)과 60° 의 후퇴각(β)을 가진다. 충분한 와류를 만들기 위해 캠버를 주었다. (d)는 가이드 베인이고 형상에 의한 압력 손실을 줄이기 위해 얇은 익형 형태를 사용하였다.

데이터처리

본 연구에서 사용한 전산 해석 기법은 유동 및 열전달 해석이 가능한 상용프로그램인 ANSYS 17.2의 CFX를 사용하여 핀-튜브 열교환기의 수치 해석을 진행하였다[9]. 공간에 대해서는 Upwind advection scheme을 사용하였고, Velocity Pressure coupling은 4차 Rhie Chow 방법을 사용하였다.
압력 손실과 전열 성능을 분석하기 위해 레이놀즈 수가 1400, 8000일 때의 평균 압력 값과 평균 Colburn factor의 값을 유동 방향에 따라 비교하였고, Fig. 7~10에 나타내었다.

이론/모형

2의 CFX를 사용하여 핀-튜브 열교환기의 수치 해석을 진행하였다[9]. 공간에 대해서는 Upwind advection scheme을 사용하였고, Velocity Pressure coupling은 4차 Rhie Chow 방법을 사용하였다. 난류 모델은 k-wSST 를 사용하였다.
열전달을 향상시키기 위해 델타 윙렛 와류 발생기를 부착하는 방법은 수치적 및 실험적으로 많은 연구가 이루어졌지만, 대부분의 연구는 단일 형상으로 각도와 위치 및 와류 발생기의 개수를 변경하여서 한 연구가 대부분이므로 서로 비교하기가 어렵다. 그러므로 본 논문에서는 Salviano 등의 핀-튜브 유로[6]를 기반으로 열교환기에서 주로 사용되는 Joardar 등의 델타 윙렛 형상[5]과 Lee 등의 유동의 저항을 줄일 수 있는 익형 형상 단면의 와류 발생기[7] 그리고 Lee 등의 튜브 후류의 박리 영역을 제어하기 위한 가이드 베인 형상[8]을 사용하였다. 각 형상들을 Salviano 등의 채널 높이와 튜브 지름을 기준으로 무차원화하였고[6], 와류 발생기와 가이드 베인의 위치는 저자들의 연구에 따라 Goodness factor가 좋은 위치를 선정하였다.
공간에 대해서는 Upwind advection scheme을 사용하였고, Velocity Pressure coupling은 4차 Rhie Chow 방법을 사용하였다. 난류 모델은 k-wSST 를 사용하였다. k-wSST 모델은 Menter에 의해 개발되었고 벽면 경계층 해석에 용이한 k-w 모델과 자유 전단 유동 영역 해석에 용이한 k-e 모델이 결합한 형태로 알려져 있다[10].

성능/효과

⦁ 델타 윙렛 와류 발생기는 와류 발생기에서 생성된 와류가 두 번째 튜브가 있는 후류까지 영향을 주어 압력 손실이 생기는 것을 확인하였고 후퇴 익형 와류 발생기와 가이드 베인은 두 번째 튜브에 영향이 거의 없는 것을 알 수 있었다.
⦁ 전열 성능에 있어서 기존 핀-튜브 대비 델타 윙렛 와류 발생기는 레이놀즈 수 3800에서 33.7%, 후퇴익형 와류 발생기는 레이놀즈 수 6600에서 6.8%, 가이드 베인은 레이놀즈 수 3800에서 5.3% 각각 가장 높은 향상을 보였다. 결론적으로 면적이 가장 큰 델타 윙렛 와류 발생기가 가장 좋은 효과를 보였다.
후퇴익형 와류 발생기의 경우 레이놀즈수 8000에서 압력 손실의 증가로 Goodness factor 가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 가이드 베인은 압력 손실 대비 전열 성능의 향상 폭이 일정하기 때문에 레이놀즈 수가 높아질수록 Goodness factor도 비슷한 경향을 보이고 레이놀즈 수 8000에서 기존 핀-튜브에 비해 9.7%로 가장 높았다.
레이놀즈 수 1400에서 핀-튜브만 있는 형상에 비해 4% 증가로 가장 높은 결과를 보였다. 가이드 베인은 전체적으로 줄어드는 경향을 보였다. 레이놀즈수 1400을 제외한 나머지 영역에서 핀-튜브만 있는 형상에 비해 낮은 압력 손실을 가지는 것을 확인하였고, 8000에서 기존 핀-튜브에 비해 4.
후퇴익형 와류 발생기의 경우 튜브에서 생성된 말굽 와류가 와류 발생기에서 생성되는 와류에 영향을 받아 가속되는 부분이 기존의 핀-튜브와 비교하면 약간 상쇄되는 것을 확인할 수 있는데 후퇴익형 와류 발생기의 높이가 낮아 큰 효과를 얻지 못하였고, 튜브 후류의 박리 영역도 기존의 핀-튜브와 비슷하여 거의 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다. 가이드 베인은 튜브에서 생긴 말굽 와류가 튜브 주위를 지나면서 직접적으로 가이드 베인과 부딪히게 되는데 이로 인해 가속된 유동의 방향이 첫 번째 튜브의 뒤쪽으로 틀어지고 박리영역에 형향을 주는 것을 확인하였다.
7%의 압력 손실을 발생시킨다. 결론적 으로 압력 손실에 있어서는 가이드 베인이 가장 좋은 효 과를 보였다.
3% 각각 가장 높은 향상을 보였다. 결론적으로 면적이 가장 큰 델타 윙렛 와류 발생기가 가장 좋은 효과를 보였다.
Figure 10은 레이놀즈 수가 8000일 때의 평균 Colburn factor의 값이다. 델타 윙렛 와류 발생기는 레이놀즈 수 1400과 마찬가지로 압력 손실이 큰 만큼 전열 성능도 가장 높았다.
Figure 5의 압력 손실에 있어서 델타 윙렛 와류 발생기와 가이드 베인은 레이놀즈 수가 커질수록 줄어드는 경향을 보였다. 델타 윙렛 와류 발생기는 레이놀즈수 3800에서 핀-튜브만 있는 형상에 비해 11.2%로 손실이 가장 높았고 레이놀즈 수가 커질수록 줄어들었다. 후퇴익형 와류 발생기는 압력 손실이 비교적 일정 하였다.
가이드 베인은 전체적으로 줄어드는 경향을 보였다. 레이놀즈수 1400을 제외한 나머지 영역에서 핀-튜브만 있는 형상에 비해 낮은 압력 손실을 가지는 것을 확인하였고, 8000에서 기존 핀-튜브에 비해 4.7% 개선된 값을 가지는 것을 확인하였다.
Figure 11의 속도 분포에서 델타 윙렛 와류 발생기의 받음각에 의한 영향으로 생성된 와류가 튜브에서 생성된 말굽 와류와 합쳐져 빨라지는 것을 확인할 수 있다. 와류 발생기를 만나 가속된 유동이 튜브 후류의 박리 영역에 영향을 주어 기존 핀-튜브의 박리 영역보다 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 후퇴익형 와류 발생기의 경우 튜브에서 생성된 말굽 와류가 와류 발생기에서 생성되는 와류에 영향을 받아 가속되는 부분이 기존의 핀-튜브와 비교하면 약간 상쇄되는 것을 확인할 수 있는데 후퇴익형 와류 발생기의 높이가 낮아 큰 효과를 얻지 못하였고, 튜브 후류의 박리 영역도 기존의 핀-튜브와 비슷하여 거의 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.
위의 결과처럼 3가지 형상 비교에서 압력 손실은 가이드 베인이 레이놀즈 수가 높아질수록 낮아지므로 가장 좋은 효과를 보였고, 전열 성능은 델타 윙렛 와류 발생기가 가장 좋은 것으로 확인되었다. 향후 연구 방향으로는 후퇴익형 와류 발생기의 높이가 높아질수록 압력면에서 흡입면 방향으로 많은 유동이 흐르고 와류가 많이 생성되기 때문에 전열 성능의 효과를 얻을 수 있을 것이고, 가이드 베인의 경우 길이와 두께를 조절 하면 튜브 후류의 박리 영역을 제어하여 더욱 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
Figure 6의 Goodness factor는 각 형상들에서 압력 손실이 가장 낮을 때의 레이놀즈 수에서 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 전체적으로 레이놀즈 수가 커질수록 증가하는 경향을 보이고 델타 윙렛 와류 발생기는 레이놀즈 수 8000에서 기존 핀-튜브에 비해 22%로 가장 높았다. 후퇴익형 와류 발생기의 경우 레이놀즈수 8000에서 압력 손실의 증가로 Goodness factor 가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
델타 윙렛 와류 발생기는 다른 형상들에 비해 평균 압력 값이 높은 것을 확인할 수 있는데 이는 델타 윙렛 와류 발생기의 면적이 다른 형상의 면적보다 크기 때문이다. 첫 번째 튜브 구간에서는 델타 윙렛 와류 발생기에 의해 압력이 증가하였지만 후류로 갈수록 영향이 줄어 차이가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 후퇴익형 와류 발생기는 기존 핀-튜브의 경향과 거의 일치 하는 것을 보인다.
Figure 12의 압력 분포에서 델타 윙렛 와류 발생기는 와류 발생기에서 생성된 와류가 두 번째 튜브까지 영향을 주어 압력 손실을 높이고 전열 성능을 향상시키는 것을 알 수 있다. 후퇴익형 와류 발생기는 높이가 낮아 압력 분포에서는 거의 영향이 없는 것을 확인할 수 있고, 가이드 베인은 델타 윙렛 와류 발생기처럼 후류 전체에 영향을 주지 않고 첫 번째 튜브 후류의 박리 영역을 줄여주기 때문에 레이놀즈 수가 커질수록 압력 손실이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
와류 발생기를 만나 가속된 유동이 튜브 후류의 박리 영역에 영향을 주어 기존 핀-튜브의 박리 영역보다 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 후퇴익형 와류 발생기의 경우 튜브에서 생성된 말굽 와류가 와류 발생기에서 생성되는 와류에 영향을 받아 가속되는 부분이 기존의 핀-튜브와 비교하면 약간 상쇄되는 것을 확인할 수 있는데 후퇴익형 와류 발생기의 높이가 낮아 큰 효과를 얻지 못하였고, 튜브 후류의 박리 영역도 기존의 핀-튜브와 비슷하여 거의 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다. 가이드 베인은 튜브에서 생긴 말굽 와류가 튜브 주위를 지나면서 직접적으로 가이드 베인과 부딪히게 되는데 이로 인해 가속된 유동의 방향이 첫 번째 튜브의 뒤쪽으로 틀어지고 박리영역에 형향을 주는 것을 확인하였다.

후속연구

위의 결과처럼 3가지 형상 비교에서 압력 손실은 가이드 베인이 레이놀즈 수가 높아질수록 낮아지므로 가장 좋은 효과를 보였고, 전열 성능은 델타 윙렛 와류 발생기가 가장 좋은 것으로 확인되었다. 향후 연구 방향으로는 후퇴익형 와류 발생기의 높이가 높아질수록 압력면에서 흡입면 방향으로 많은 유동이 흐르고 와류가 많이 생성되기 때문에 전열 성능의 효과를 얻을 수 있을 것이고, 가이드 베인의 경우 길이와 두께를 조절 하면 튜브 후류의 박리 영역을 제어하여 더욱 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핀-튜브 열교환기는 어디에 사용되는가?	핀-튜브 열교환기는 항공기 터빈 냉각 시스템, 폐열 회수, 가열기, 응축기, 증발기처럼 많은 분야에서 사용이 되고 있다. 산업이 발달함에 따라 에너지 수요가 많아짐과 동시에 핀-튜브 열교환기의 사용도 점점 증가하고 있는 추세이다.
	핀-튜브 열교환기의 전열 성능 향상방법에는 무엇이 있는가?	Gorman 등에 의하면 전열 성능에 효과가 있는 핀-튜브 열교환기는 1958년부터 1993년에는 주로 실험적인 연구가 많이 진행되었고, 1996년부터 2017년 사이에는 수치적인 연구가 많이 진행되었다[2]. 핀-튜브 열교환기의 전열 성능 향상에는 핀-튜브 구간의 형상을 변경하는 방법[3,4], 핀-튜브에 와류 발생기를 부착하는 방법[5~8] 등 많은 방법으로 연구가 진행되어 왔다. 일반적으로 효율을 키우기 위해서는 핀-튜브에 와류 발생기를 부착하여 열전달 면적을 넓이거나 와류를 의도적으로 생성시켜 유동의 교란을 일으켜 효과를 얻는다.
	델타 윙렛 와류 발생기를 부착에 있어서 각도와 위치, 와류 발생기의 개수를 비교하기 위해 본문에서 무엇을 사용하여 연구하였는가?	열전달을 향상시키기 위해 델타 윙렛 와류 발생기를 부착하는 방법은 수치적 및 실험적으로 많은 연구가 이루어졌지만, 대부분의 연구는 단일 형상으로 각도와 위치 및 와류 발생기의 개수를 변경하여서 한 연구가 대부분이므로 서로 비교하기가 어렵다. 그러므로 본 논문에서는 Salviano 등의 핀-튜브 유로[6]를 기반으로 열교환기에서 주로 사용되는 Joardar 등의 델타 윙렛 형상[5]과 Lee 등의 유동의 저항을 줄일 수 있는 익형 형상 단면의 와류 발생기[7] 그리고 Lee 등의 튜브 후류의 박리 영역을 제어하기 위한 가이드 베인 형상[8]을 사용하였다. 각 형상들을 Salviano 등의 채널 높이와 튜브 지름을 기준으로 무차원화하였고[6], 와류 발생기와 가이드 베인의 위치는 저자들의 연구에 따라 Goodness factor가 좋은 위치를 선정하였다.

참고문헌 (11)

J. P. Joule, "On the surface-condensation of steam," Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 151, pp. 133-160, 1861.
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G. I. Mahmood, M. Z. Sabbagh and P. M. Ligrani, "Heat transfer in a channel with dimples and protrusions on opposite walls," Journal of Thermophysics and Heat Transfer, vol. 15, no. 3, pp. 275-283, 2001.

상세보기
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상세보기
A. Joardar and A. M. Jacobi, "A numerical study of flow and heat transfer enhancement using an array of delta-winglet vortex generators in a fin-and-tube heat exchanger," Journal of Heat Transfer, vol. 129, no. 9, pp. 1156-1167, 2007.
L. O. Salviano, D. J. Dezan and J. I. Yanagihara, "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, pp. 373-387, 2015.

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C. H. Lee, Y. T. Oh, J. H. Bae, D. H. Lee and K. S. Kim, "Numerical Study on Heat Transfer and Flow Characteristics of Pin Fin with Swept Airfoil Shape Vortex Generator," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, vol. 23, no. 4, pp. 28-34, 2019.
D. H. Lee, Y. T. Oh, J. H. Bae, C. H. Lee and K. S. Kim, "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," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, vol. 23, no. 3, pp. 35-43, 2019.
ANSYS CFX V15.0, "ANSYS CFX Reference Guide," ANSYS Inc, Canonsburg, PA, U.S.A., November. 2013.
F. R. Menter, "Zonal Two Equation Turbulence Models For Aerodynamic Flows," 24th Fluid Dynamics Conference, Orlando, Florida., AIAA 93-2906, July. 1993.
M. Fiebig, A. Valencia and N. K. Mitra, "Local heat transfer and flow losses in fin-and-tube heat exchangers with vortex generators: A comparison of round and flat tubes," Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 8, no. 1, pp. 35-45, 1994.

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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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