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문제 정의
- 0 kg/min, 입구 온도는 20℃이다. 전력공급장치를 통해 발열부에 열을 가한 후 입출구 온도 및 발열부 상부면의 온도가 3분 이상 변화가 없으면 정상상태로 보고 이때의 결과를 취득하였다. 각 계측장치는 보정을 수행한 후 데이터 레코더를 이용하여 정상 상태에서 모든 결과를 0.
제안 방법
- 전력공급장치를 통해 발열부에 열을 가한 후 입출구 온도 및 발열부 상부면의 온도가 3분 이상 변화가 없으면 정상상태로 보고 이때의 결과를 취득하였다. 각 계측장치는 보정을 수행한 후 데이터 레코더를 이용하여 정상 상태에서 모든 결과를 0.5초 간격으로 저장하였다. 계측장비의 오차로써 유량은 ±0.
- 격자의 생성은 CFX-Mesh를 사용하였으며 비정렬 격자를 기본으로 열전달이 주로 일어나는 채널부의 벽면에 프리즘격자를 생성하여 계산의 정확도를 높였다.
- 미세채널의 특성상 해석영역의 최소길이(Wch)와 최대길이의 차이가 커 격자점의 수가 많아지므로 유체영역과 고체영역을 나누어 해석을 수행하였다. 실제 발열체로부터 워터블록 바닥면으로 전달되는 열량 150 W에 상응하는 열유속을 유체의 입출구를 제외한 모든 면에 가하고, 이로부터 얻어지는 벽면에서의 열전달계수를 고체영역의 내부 벽면에 대한 경계조건으로 사용하여 바닥면의 온도를 예측하였다.
- 본 연구에서는 패스변화에 따른 미세채널 워터 블록의 열전달 및 유동특성을 평가하기 위해서 1Pass Sample 4종류(0, 1, 5, 9 Path), 2Pass Sample 4종류(0, 1, 5, 9 Path) 총 8종류의 Sample을 선정하였다. 이들의 열 및 유동성능을 해석적 방법을 통해 예측해 보았으며 그 결과의 타당성을 실험결과를 통해 확인하였다.
- )와 최대길이의 차이가 커 격자점의 수가 많아지므로 유체영역과 고체영역을 나누어 해석을 수행하였다. 실제 발열체로부터 워터블록 바닥면으로 전달되는 열량 150 W에 상응하는 열유속을 유체의 입출구를 제외한 모든 면에 가하고, 이로부터 얻어지는 벽면에서의 열전달계수를 고체영역의 내부 벽면에 대한 경계조건으로 사용하여 바닥면의 온도를 예측하였다.
- 7은 질량유량 변화에 따른 열전달계수의 특성을 나타낸 것이다. 열전달계수는 워터블록 벽면온도와 작동유체 입출구의 평균온도를 적용하여 계산하였다. 활발한 대류의 영향으로 Sample 2-4가 열저항과 마찬가지로 높은 열전달계수를 나타내었으며, 질량유량에 따라 4,420～9,190 W/m2℃를 나타내었다.
대상 데이터
- Table 3에 해석조건을 나타내었으며 이 조건은 실험결과와 비교하기 위해 실험조건과 동일하게 선정하였다. 미세채널 워터블록의 재질은 구리이며 작동유체는 물이다. 워터블록에 가해지는 열량은 150 W이고 물의 입구온도는 35 ℃로 고정하였으며 유량은 0.
- 2에 나타내었다. 장치는 항온조, 마이크로 기어펌프, 마이크로 필터, 디지털 유량계, 차압계, 디지털 토크게이지, 전력공급장치, 데이터 레코더로 구성되어 있다. 작동유체는 물이며 유량은 0.
- 패스변화에 따른 미세채널 워터블록의 채널 내 열유동특성을 파악하기 위해서 총 8개의 샘플을 선정하였으며 이에 따른 형상을 Table 1에 나타내었다. Sample 1-1～1-4는 1Pass로 내부 핀의 형태는 0, 1, 5, 9 Path를 가지며 입출구의 위치가 수직하다.
데이터처리
- 본 연구에서는 패스변화에 따른 미세채널 워터 블록의 열전달 및 유동특성을 평가하기 위해서 1Pass Sample 4종류(0, 1, 5, 9 Path), 2Pass Sample 4종류(0, 1, 5, 9 Path) 총 8종류의 Sample을 선정하였다. 이들의 열 및 유동성능을 해석적 방법을 통해 예측해 보았으며 그 결과의 타당성을 실험결과를 통해 확인하였다. 미세채널 워터블록의 성능에 관한 해석적 연구를 위해 CFD 상용 코드인 CFX-11을 사용하였다.
이론/모형
- 또한 열 유동 해석에 가장 널리 쓰이는 standard k-ε 난류모델을 사용하였다.
- 이들의 열 및 유동성능을 해석적 방법을 통해 예측해 보았으며 그 결과의 타당성을 실험결과를 통해 확인하였다. 미세채널 워터블록의 성능에 관한 해석적 연구를 위해 CFD 상용 코드인 CFX-11을 사용하였다.
- 정상상태에서의 연속방정식, 운동량방정식, 에너지 방정식의 이산화는 CFX-11에서 제공하는 2차항 이상의 정확도를 가지는 high resolution scheme을 사용하였다. 또한 열 유동 해석에 가장 널리 쓰이는 standard k-ε 난류모델을 사용하였다.
성능/효과
- (1) CFD를 활용한 미세채널 워터블록의 열유동 해석결과와 실험결과는 히팅블록 표면온도에서 약 3～5% 잘 일치하였고, 실험시 열평형은 ±10% 내외에서 일치하여 타당성을 검증할 수 있었다.
- (2) 히팅블록 표면의 평균 온도변화 비교에서 2 Pass군 Sample이 1 Pass군의 Sample보다 우수한 열전달 성능을 나타내었으며 9 Path의 Sample 2-4가 가장 우수한 열전달 성능을 나타내었다. 열저항은 0.
- (3) 압력강하는 Sample 2군 계열에서 Sample 1군 계열보다 높게 나타났으며 Sample 2-4에서 가장 높게 나타났다. 그러나 관내 마찰계수는 작동 유체의 속도와 유로의 길이의 영향으로 Sample 2군 계열이 마찰계수는 크게 줄어드는 것으로 나타났다.
- (3) 압력강하는 Sample 2군 계열에서 Sample 1군 계열보다 높게 나타났으며 Sample 2-4에서 가장 높게 나타났다. 그러나 관내 마찰계수는 작동 유체의 속도와 유로의 길이의 영향으로 Sample 2군 계열이 마찰계수는 크게 줄어드는 것으로 나타났다.
- 8은 레이놀즈수에 따른 누셀수의 변화를 나타낸 것이다. 레이놀즈수 증가에 따라 누셀수는 거의 선형적으로 증가하며 Fig. 7의 열전달계수의 영향으로 누셀수에서도 Sample 2-4에서 가장 높게 나타났으며 레이놀즈수에 따라 누셀수는 7.65～15.91의 값을 나타내었다.
- 6은 워터블록의 열전달 성능을 나타내는 열저항을 나타낸 것이다. 모든 Sample에서 질량유량이 증가함에 따라 열저항은 점차 감소하는 경향을 보였으며, 표면온도가 가장 낮은 Sample 2-4에서 질량유량에 따라 열저항 0.03～0.04 ℃/W의 값을 나타내었다.
- 4는 질량유량 변화에 따른 히팅블록 표면의 평균 온도변화를 나타낸 것이다. 입력 열량 150 W, 작동유체의 입구온도 35℃에서 질량유량이 증가함에 따라 모든 샘플에서 표면온도는 감소하였으며, 2 Pass군 Sample이 1 Pass군의 Sample보다 우수한 열전달 성능을 나타내었다. 특히 9 Path의 Sample 2-4는 내부에서의 유체의 교란효과가 뛰어나서 가장 우수한 열전달 성능을 나타내었으며, Sample 1-4는 후단부 메니폴더 근처에서 유체의 역류로 인한 정체로 인하여 열전달성능이 저하하였다.
- 입력 열량과 출력의 열전달량의 열평형은 ±10% 내외서 일치하였으며, 실험결과와 비교해보면 히팅블록 표면의 온도에서 약 3～5%의 차이를 나타내었으며 실험결과가 해석결과에 비해 다소 높게 나타났다.
- 질량유량이 증가함에 따라 압력강하는 점차 증가하는 경향을 나타내었으며, 표면온도가 가장 낮은 Sample 2-4가 압력강하 측면에서는 성능이 가장 낮게 나타났다.
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