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문제 정의
- 본 연구에서는 내부 형상이 차량용 사각관의 압력강하 및 열전달 특성에 대하여 실험 및 수치적으로 연구하였다. 층류, 천이, 난류 영역에 대하여 3차원 수치해석과 확대모형 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 차량용 열교환기의 관내 유동에서 사각-평활 관에 대한 기존 이론 타당성 확인, 사각관 내부 터블레이터(turbulator) 표면인 경우 임계 Re수 확인, 관 마찰계수의 측정, 수치계산 결과의 타당성 검토를 목적으로 실험장치를 구성하고 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 3. 평활 및 터블레이터 사각관의 천이영역에서 압력강하에 대한 실험결과를 제공하였다.
- 5. 완전 발달층류 영역에서 사각 관의 단면 종횡비의 변화에 따라 사용할 수 있는 압력강하 및 열전달 상관식을 제공하였다.
- 물의 유량은 출구에서 일정시간 동안 받은 물의 양의 질량을 재는 방법으로 하였다. 질량유량의 측정오차는 1.
- 4와 같다. 본 연구에서는 비원형관에 대한 자료를 정리하여 관 마찰계수와 열전달계수에 대한 종횡비의 영향을 다음 식으로 정리하였다.
- 사각 관 내부에 터블레이터가 설치된 형상에 대하여 터블레이터가 정방형(inline) 배열과 엇갈림(staggered) 배열에 대하여 실험을 수행하였다. 수치계산은 엇갈림 배열 터블레이터에 대한 것이다' 터블레이터 관 내부의 유동을 Re수 753에서 천이가 시작되고, Re수 1, 130에서 난류가 시작된다.
- 2와 같다. 실험장치는 사각관 내부에 냉각수의 압력강하와 유동 특성을 가시화 할 수 있도록 제작하였다. 실험장치는 주실험부, 고수조, 저수조, 펌프, 유동가시화 장치로 구성된다.
- 3% 이내이다. 압력강하는 U관 액주계로 측정하였다. 측정 정밀도는 5 Pa 이내 이며 정상상태 확인 후 3회 측정하여 평균 값을 취하였다.
- 층류영역에서 종횡비에 따른 압력강하 및 열전달상관식을 제시하였다. 열유동 특성은 기존의 이론과 비교하고 고찰하였다.
- 주실험부의 입구와 출구에는 정체실을 두어 입구 및 출구 손실도 같이 고려할 수 있도록 하였다. 염료는 주실험부의 입구 정체실에서 투입하여 유동의 변화를 측정하였다.
- 유동의 층류에서 난류로 천이하는 과정을 가시화하기 위하여 주실험부 입구의 정체실에 4색 잉크 주입장치를 두었다. 잉크 주입에 의한 교란을 줄이기 위하여 작은 수위 차에서 중력으로 유입되도록 하였다.
- 두었다. 잉크 주입에 의한 교란을 줄이기 위하여 작은 수위 차에서 중력으로 유입되도록 하였다. 유입량은 밸브로 조절하였다.
- 냉각수는 고수조, 주실험부, 저수조, 펌프 그리고 고수조로 순환된다. 주실험부는 가시화가 가능하도록 투명한 폴리카보네이트로 제작하였다. 주실험부의 입구와 출구에는 정체실을 두어 입구 및 출구 손실도 같이 고려할 수 있도록 하였다.
- 차량용 열교환기의 사각관 내부유동 특성을 검증하고자 실험 및 수치계산을 수행하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 층류, 천이, 난류 영역에 대하여 3차원 수치해석과 확대모형 실험을 수행하였다. 층류영역에서 종횡비에 따른 압력강하 및 열전달상관식을 제시하였다.
- 층류, 천이, 난류 영역에 대하여 3차원 수치해석과 확대모형 실험을 수행하였다. 층류영역에서 종횡비에 따른 압력강하 및 열전달상관식을 제시하였다. 열유동 특성은 기존의 이론과 비교하고 고찰하였다.
- [. 평활 관과 터블레이터 관의 층류, 천이, 난류 유동 특성을 확인하였다.
대상 데이터
- 입구 유동조건은 일정온도 균일유동 출구에서는 출구조건을 적용하였다. 사용한 격자는 약 200만개 이며 수렴조건은 압력과 에너지 잔류항의 합이 W6 이하인 조건으로 하였다.
- 시험 대상은 평활 관, 터블레이터 관(터블레이터 in-line 배열 및 staggered 배열)으로 3가지 이다. 평활 관에서 냉각수 유로의 규격은 폭 61.
- 실험장치는 사각관 내부에 냉각수의 압력강하와 유동 특성을 가시화 할 수 있도록 제작하였다. 실험장치는 주실험부, 고수조, 저수조, 펌프, 유동가시화 장치로 구성된다. 실험 장치에서 물의 유량은 0.
- 측정 정밀도는 5 Pa 이내 이며 정상상태 확인 후 3회 측정하여 평균 값을 취하였다. 압력측정 위치는 입구 및 출구의 정체실 및 주실험부 내부의 2개소 등 총 4개 소이다. 주실험부의 사각관에서 압력강하 측정을 위한 정압공 사이의 거리는 모두 365 mm 이다.
- 4 mm 이다. 터블레이터 관은 폭 58.5 mm, 길이 435 mm, 높이 4.5 mm 이다. 터블레이터 관에서 터블레이터의 흐름방향 피치는 12.
이론/모형
- 수치계산은 Fluent 이용하여 수행하였다. 기하학적 형상은 주실험부와 동일하게 하였다.
- 실험 개념은 강희찬과 김무환[7, 8]이 제시한 모형실험기법을 이용하였다. 확대모형을 이용한 압력강하 실험장치는 Fig.
- 그림에서 실선은 매끈한 평활관의 완전 층류와 난류에 대한 마찰계수의 이론 값이다. 여기서 층류영역은 사각 관에 대한 식을 난류영역은 Blasius의 이론식을 이용하였다. 층류영역에서 수치해석에 의한 결과는 이론식과 잘 일치하였다.
- 기하학적 형상은 주실험부와 동일하게 하였다. 해석모델은 층류영역인 경우 층류모델을 난류영역 인 경우에는 저 Reynolds수 모델을 사용하였다. 입구 유동조건은 일정온도 균일유동 출구에서는 출구조건을 적용하였다.
성능/효과
- 2. 평활 사각관은 층류 완전발달영역과 난류영역에서 모두관 마찰계수와 열전달계수는 기존의 이론식과 잘 일치한다.
- 4. 터블레이터가 설치된 사각관의 난류영역에서 압력강하특성은 수치계산으로 잘 예측되었다.
- 본 실험 결과로부터 수치계산은 실험결과와 비교적 잘 일치함을 확인하였다. 평활 관에서는 임계 Re수가 1,000과 3,000이 천이와 완전 난류의 시작점 임을 알 수 있었다.
- 수치계산은 엇갈림 배열 터블레이터에 대한 것이다' 터블레이터 관 내부의 유동을 Re수 753에서 천이가 시작되고, Re수 1, 130에서 난류가 시작된다. 시험결과 터블레이터 깊이가 같은 터블레이터 관에서 엇갈림 배열이 정방형 배열보다 수% 정도 높은 것을 알 수 있다. 터블레이터관에 대한 수치계산에서 Re수 760까지는 층류모델을 Re수 1, 100 이상은 난류 모델을 적용하였다.
- 평할 관에 대한 수치해석은 층류에 대한 것이다. 실험결과에서 평활 관의 압력강하는 Re수가 약 800에서 천이가 시작되는 것을 알 수 있다. Re수 3, 000에서 완전 난류로 발달한다.
후속연구
- 본 연구 결과는 사각관 내부 유동에 대한 관련 기술자와 연구자의 이해와 설계 능력 향상에 기여할 것으로 사료된다.
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