[논문]다양한 막냉각 홀 형상에 대한 막냉각 효율의 수치해석

김선민; 이기돈; 김광용

문제 정의

하지만 다양한 형상에 대한 막냉각 성능과 유동 메커니즘에 대한 연구는 많지 않다. 그러므로 본 연구에서는 높은 막냉각 효율을 보여준다고 알려진 막냉각 홀들에 대한 막 냉각 성능평가 및 유동 특성을 분석하였다. 트렌치나 탭과 같은 부가적으로 다른 막냉각 홀에 설치할 수 있는 것들은 고려하지 않았으며, 결과적으主, 위에서 언급하였던 선행 연구들을 바탕으로 루버, 원통형, 크레센트 그리고 덤벨 막 냉각 홀을 비교 대상으로 하였다.
본 연구에서는 높은 막냉각 효율을 보인다고 알려진 세 가지 형상의 막냉각 홀(크레센트, 덤벨 루버)의 냉각성능을 원통형 막냉각 홀과 비교하기 위한 수치해석을 수행하였으며, 각 막냉각 홀의 유동특성을 분석하였다.
본 연구에서는 크레센트, 덤벨 루버, 그리고 원통형 등 네 가지 형상의 막냉각 홀에 대한 난류유동과 막냉각 효율을 비교 평가하였다. 막냉각 효율에 대한 수치해석 결과는 실험 결과와 좋은 일치성을 보여주었다.

제안 방법

나타내었다. 이 막냉각 홀들의 크기를 통일하기 위해 다양한 막냉각 홀들의 원통형 부분을 같은 지름(D=5mm)으로 설정하였고, 주유동 채널, 냉각재 채널 등의 크기를 통일하였다.

대상 데이터

1에 나타내었다. 작동 유체로는 공기를 사용하였으며 냉각재의 입구 조건으로 온도 290K, 난류강도 1%, 유량 0.0033kg/s를 사용하였고 주유동의 입구조건으로 온도 540K, 난류강도 5%, 속도 139m/s를 사용하였다. 출구에서는 일정압력 1atm을 경계조건으로 사용하였으며 모든 벽에 점착(no-slip)조건과 단열조건을 사용하였다.
그러므로 본 연구에서는 높은 막냉각 효율을 보여준다고 알려진 막냉각 홀들에 대한 막 냉각 성능평가 및 유동 특성을 분석하였다. 트렌치나 탭과 같은 부가적으로 다른 막냉각 홀에 설치할 수 있는 것들은 고려하지 않았으며, 결과적으主, 위에서 언급하였던 선행 연구들을 바탕으로 루버, 원통형, 크레센트 그리고 덤벨 막 냉각 홀을 비교 대상으로 하였다.

데이터처리

비교하였다. 루버 막냉각 홀을 사용한 냉각 표면의 중심에서의 막냉각 효율과 원통형 막냉각 홀을 사용한 냉각 표면의 측면 방향으로 평균한 막냉각 효율의 실험값과 수치해석 결과를 비교하였으며 이를 Fig. 3에 나타내었다. 그.
해석의 타당성을 검증하기 위해 루버와 원통형 막냉각 홀에 대해 같은 경계조건에서의 수치해석 결과와 실험 결과[4, 9]를 비교하였다. 루버 막냉각 홀을 사용한 냉각 표면의 중심에서의 막냉각 효율과 원통형 막냉각 홀을 사용한 냉각 표면의 측면 방향으로 평균한 막냉각 효율의 실험값과 수치해석 결과를 비교하였으며 이를 Fig.

이론/모형

이 코드는 지배방정식을 이산화하기 위해 유한 체적법을 사용하여 압축성 RANS 방정식을 수치적으로 계산한다. 난류 모델로는 SST 모델[13, 14]을 사용하였다. SST 모델은 k* 모델과 k-① 모델의 장점만을 취한 모델이다.
삼차원 유동 및 열전달의 해석을 위해 압축성 RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 해석을 수행하였으며, 비정렬 격자계를 사용하는 상용 전산 유체역학 코드인 ANSYS CFX 11.0[12]를 사용하였다. 이 코드는 지배방정식을 이산화하기 위해 유한 체적법을 사용하여 압축성 RANS 방정식을 수치적으로 계산한다.
0[12]를 사용하였다. 이 코드는 지배방정식을 이산화하기 위해 유한 체적법을 사용하여 압축성 RANS 방정식을 수치적으로 계산한다. 난류 모델로는 SST 모델[13, 14]을 사용하였다.

성능/효과

네 가지의 막 냉각 홀 중 가장 높은 막냉각 효율을 보인 것은 덤벨 막 냉각 홀이었으며 루버와 원통형 막냉각 홀이 가장 낮은 막 냉각효율을 보여주었다. 결과적으로, 국부적으로나 전체적으로나 덤벨 막냉각 홀이 본 연구에서 비교한 네 가지의 막냉각 홀들 중 가장 높은 막냉각 효율을 보여주었으며 특히 분사율이 증가함에 따라서 막냉각 효율도 다른 막냉각 흘에 비해 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났다.
이 값들은 냉각 영역인 가로 6D 세로 20D의 넓이에 대해 평균한 값들이다. 네 가지의 막 냉각 홀 중 가장 높은 막냉각 효율을 보인 것은 덤벨 막 냉각 홀이었으며 루버와 원통형 막냉각 홀이 가장 낮은 막 냉각효율을 보여주었다. 결과적으로, 국부적으로나 전체적으로나 덤벨 막냉각 홀이 본 연구에서 비교한 네 가지의 막냉각 홀들 중 가장 높은 막냉각 효율을 보여주었으며 특히 분사율이 증가함에 따라서 막냉각 효율도 다른 막냉각 흘에 비해 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났다.
평가하였다. 막냉각 효율에 대한 수치해석 결과는 실험 결과와 좋은 일치성을 보여주었다. 주어진 경계 조건과 분사율에서, 루버와 원통형 막냉각 홀은 중앙선 근처에서는 높은 막 냉각 효율을 보였으나, 냉각유체가 넓게 퍼지지 못하여 결과적으로 가장 낮은 막냉각 효율을 보였다.
크레센트 홀의 경우, 냉각유체가 냉각표면에 가장 넓게 분포하는 경향을 보였으나, 중앙부근에 냉각유체가 거의 분포하지 않으며, 전체적으로 높은 효율은 보여주지 못하였다. 반면에, 덤벨 막 냉각 홀은 냉각유체가 막냉각표면 전체에 고르게 분포하면서 본연구에서 해석한 막냉각 홀들 중 가장 뛰어난 막냉각 성능을 보여주었다
덤벨(dumbbell) 과 빈(bean)이라고 명명된 막냉각 홀이 Liu 등[5]에 의해 개발되었다. 새로운 형상의 막냉각 홀에 대한 성능 평가는 원통형과 휀 막냉각 홀과 함께 비교되었으며 그 결과 덤벨 막 냉각 홀은 전체적으로 휀 원통형 및 빈 막냉각 홀에 비해 좋은 막 냉각 효율을 보였다. Yu 등[6]은 원통형, 전면확대(forward diffused)와 전면 및 측면확대(forward and laterally diffused) 막 냉각 홀에 대해 막냉각 효율, 열전달 계수, 그리고 열 유속을 측정하고 비교하였다.
수렴 조건을 위하여 RMS relative residual 값을 모든 변수에 대하여 1.0E-5로 설정하였으며 계산은 Intel Core i7 K 875 @2.93 GHz PC를 사용하였다 단일 계산에 약 20~25시간이 걸렸으나 계산시간은 계산의 복잡성과 막냉각 홀의 형상 그리고 격자의 질과 수 등에 의해 약간의 차이를 보였다
막냉각 효율에 대한 수치해석 결과는 실험 결과와 좋은 일치성을 보여주었다. 주어진 경계 조건과 분사율에서, 루버와 원통형 막냉각 홀은 중앙선 근처에서는 높은 막 냉각 효율을 보였으나, 냉각유체가 넓게 퍼지지 못하여 결과적으로 가장 낮은 막냉각 효율을 보였다. 크레센트 홀의 경우, 냉각유체가 냉각표면에 가장 넓게 분포하는 경향을 보였으나, 중앙부근에 냉각유체가 거의 분포하지 않으며, 전체적으로 높은 효율은 보여주지 못하였다.
5에서는 덤벨 막 냉각 홀이 유동 방향으로 가장 높은 막냉각 효율을 보여주었다. 중심선에서 높은 효율을 보였던 루버나 원통형 막 냉각 홀은 측면 방향으로 평균한 막냉각 효율에서는 두 가지 분사율에서 모두 가장 낮은 막냉각 효율을 보였다. 이는 냉각재가 넓게 퍼지지 않고 중심선에 집중됨을 뜻한다.
4에 나타내었다. 중심선에서의 막 냉각효율은 블레이드 표면을 보호하는 냉각재의 벽면 점착성을 나타낸다 M=0.5에서, 원통과 루버 형상의 막냉각 홀은 덤벨이나 크레센트 형상의 막냉각 홀보다 중심선에서의 높은 막 냉각 효율을 보여주었으며, M=L5에서는 덤벨과 원통형 막 냉각 홀이 다른 막냉각 홀에 비해 중심선에서의 높은 막 냉각효율을 보여주었다 M=1.5에서의 크레센트 막냉각 흘은 x/D 가 증가할수록 빠르게 떨어지는 막냉각 효율을 보여주었으며 네 가지의 막냉각 홀 중에서 현저하게 낮은 막냉각 효율을 보여주었다.
이는 냉각재가 넓게 퍼지지 않고 중심선에 집중됨을 뜻한다. 크레센트 막 냉각 홀은 다른 막냉각 홀과는 달리 홀 출구에서의 막냉각 효율이 좀 더 유지되는 경향을 보여주었으며 점차 감소하는 경향을 보였다.
루버 막냉각 홀은 세 갈래로 갈라지는 막 냉각효율 분포를 나타내었으며 원통형 막냉각 홀과 함께 중심선에 치우쳐서 냉각재가 분포하는 것을 보여준다. 크레센트 막 냉각 홀은 복잡한 막냉각 효율 분포를 보였으며 다른 형상의 막 냉각 홀들에 비해 가장 측면 방향으로 넓게 퍼지는 분포를 보였다 덤벨 막냉각 홀은 많은 부분의 냉각 영역에서 높은 막 냉각 효율을 보이는 분포를 보였다.

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