고온의 연소가스에 노출되는 디퓨저 냉각에 필요한 열량을 계산하였다. 디퓨저 내부는 공기와 혼합된 연소가스가 흐르고 디퓨저 벽체는 채널로 구성된 공간에 물이 흐르도록 되어 있다. 디퓨저 구조물과 유체 간에 또는 유체 자체적인 열전달과 구조물 내부의 열전달 현상은 복합적인 형태로 나타나는데 고온에서 작동하는 점을 고려하여 복사, 대류, 전도 모두를 적용 하였다. 열전달량 계산은 경험식에 근거한 1차원 해석과 CFD 해석의 2가지 방법으로 수행하였다. 1차원 해석은 경험식을 통해 얻어진 결과를 적용하여 열전달량을 산출하였고, CFD 해석은 DO 복사 열전달 모델을 적용하여 계산하였으며, 계산의 타당성을 검정하기 위하여 두 방법을 비교하였다. 총 열전달량의 차이는 1% 미만으로 거의 같았으나, 1차원 계산은 열전달 모델의 단순화로 디퓨저 입구에서의 순환영역을 구현하지 못하여 전체적인 열전달량 분포에서는 차이를 보였다. 디퓨저의 안정성을 확보하기 위한 냉각수 용량은 2가지 계산 결과를 조합하여 각 구간별로 최대 열전달량을 근거로 도출하였다.
고온의 연소가스에 노출되는 디퓨저 냉각에 필요한 열량을 계산하였다. 디퓨저 내부는 공기와 혼합된 연소가스가 흐르고 디퓨저 벽체는 채널로 구성된 공간에 물이 흐르도록 되어 있다. 디퓨저 구조물과 유체 간에 또는 유체 자체적인 열전달과 구조물 내부의 열전달 현상은 복합적인 형태로 나타나는데 고온에서 작동하는 점을 고려하여 복사, 대류, 전도 모두를 적용 하였다. 열전달량 계산은 경험식에 근거한 1차원 해석과 CFD 해석의 2가지 방법으로 수행하였다. 1차원 해석은 경험식을 통해 얻어진 결과를 적용하여 열전달량을 산출하였고, CFD 해석은 DO 복사 열전달 모델을 적용하여 계산하였으며, 계산의 타당성을 검정하기 위하여 두 방법을 비교하였다. 총 열전달량의 차이는 1% 미만으로 거의 같았으나, 1차원 계산은 열전달 모델의 단순화로 디퓨저 입구에서의 순환영역을 구현하지 못하여 전체적인 열전달량 분포에서는 차이를 보였다. 디퓨저의 안정성을 확보하기 위한 냉각수 용량은 2가지 계산 결과를 조합하여 각 구간별로 최대 열전달량을 근거로 도출하였다.
Analysis of conjugated heat transfer has been conducted for the diffuser exposed to hot combustion gas to design the mechanical durability in high temperature. All the heat transfer means, conduction, convection and radiation have been considered to calculate the total heat flux from hot gas to diff...
Analysis of conjugated heat transfer has been conducted for the diffuser exposed to hot combustion gas to design the mechanical durability in high temperature. All the heat transfer means, conduction, convection and radiation have been considered to calculate the total heat flux from hot gas to diffuser surface. The calculation has been implemented by two kinds of methods. One thing is one dimensional method based on empirical equations. The other is CFD(Computational Fluid Dynamics) axisymmetric calculation containing ${\kappa}-{\omega}$ SST(Shear Stress Transport) turbulent model and DO(Discrete Ordinate) radiation model. The derived results of two methods have compared and showed similar values. From this result, the amount of cooling water and the dimension of water cooling channel were decided.
Analysis of conjugated heat transfer has been conducted for the diffuser exposed to hot combustion gas to design the mechanical durability in high temperature. All the heat transfer means, conduction, convection and radiation have been considered to calculate the total heat flux from hot gas to diffuser surface. The calculation has been implemented by two kinds of methods. One thing is one dimensional method based on empirical equations. The other is CFD(Computational Fluid Dynamics) axisymmetric calculation containing ${\kappa}-{\omega}$ SST(Shear Stress Transport) turbulent model and DO(Discrete Ordinate) radiation model. The derived results of two methods have compared and showed similar values. From this result, the amount of cooling water and the dimension of water cooling channel were decided.
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문제 정의
또한 수치해석을 이용한 계산 결과만 제시하고 있어 실제 물리적으로 타당한 값인지 여부를 확인하기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 냉각 채널이 구성된 디퓨저에 대해 복사 열전달이 고려된 CFD 해석 방법을 이용하여 전체 열전달 계산을 수행하고 그 계산 결과를 1차원 경험식 해석 결과와 비교하여 계산의 타당성을 확보하였다.
가설 설정
디퓨저의 열 설계 조건은 최대 유량 대비 48%의 연소 공기가 디퓨저로 유입되는 경우이다. 배기가스의 온도는 케로신(Kerosene) 연료가 이상적으로 연소한 경우라고 가정하였으며 디퓨저의 출구 압력은 대기압으로 두었다. 디퓨저의 냉각 채널을 통해 흐르는 물의 온도는 유입시 33℃ 유출시 85℃로 설정되어 있으며 압력은 4 bar로 유지된다.
추진기관의 노즐에서 분사되는 배기가스와 테스트 셀에서 유입되는 공기가 완벽하게 섞인 상태로 혼합된 것으로 가정하였다.
제안 방법
3을 이용하여 수행되었다. 2D로 구성된 정형 격자(Fig. 4)를 축대칭으로 압축성, 점성, 복사를 고려하여 계산하였다. 난류 모델은 Menter[5]의 K-ω SST 모델을, 복사는 정확도가 높은 DO(구종좌표, Discrete Ordinate)모델을 적용하였다.
고온의 연소가스에 노출되는 디퓨저 구조물 냉각에 필요한 열량 산출을 1차원, CFD 해석의 두 가지 방법으로 수행하였으며, 열전달량을 바탕으로 도출된 냉각수량을 도출하였다. 해석 결과, 디퓨저 표면 열유속과 내부 온도 모두 비슷한 분포 경향을 보였다.
복사 해석의 정확도를 위해 극각, 방위각을 각각 5로 두었고 각각에 대한 화소는 3×3으로 하였다.
3에 나타내었다. 초기 가정된 디퓨저 벽면에서의 온도로 열전달량을 결정하고 배기가스에서 디퓨저 내벽으로의 열전달량과 벽면을 통한 열전달량 그리고 냉각수 채널로의 열전달량을 비교한다.
이론/모형
난류 모델은 Menter[5]의 K-ω SST 모델을, 복사는 정확도가 높은 DO(구종좌표, Discrete Ordinate)모델을 적용하였다.
대류열전달은 Incropera[3] 문헌을 참고하여 계산하였으며 복사 열전달은 Hotel, Sarofim[4] 문헌을 참고하여 계산하였다. 자세한 내용은 지면 관계상 생략한다.
수치해석은 상용 CFD tool인 Fluent 6.3을 이용하여 수행되었다. 2D로 구성된 정형 격자(Fig.
성능/효과
해석 결과, 디퓨저 표면 열유속과 내부 온도 모두 비슷한 분포 경향을 보였다. 큰 차이점은 1차원 해석에서의 디퓨저 초기 구간의 간략화로 인해 순환 영역이 나타지 않는다는 점이었고, 그로 인해 초기 구간에서의 열전달 분포와 온도에 있어 차이를 보였다.
고온의 연소가스에 노출되는 디퓨저 구조물 냉각에 필요한 열량 산출을 1차원, CFD 해석의 두 가지 방법으로 수행하였으며, 열전달량을 바탕으로 도출된 냉각수량을 도출하였다. 해석 결과, 디퓨저 표면 열유속과 내부 온도 모두 비슷한 분포 경향을 보였다. 큰 차이점은 1차원 해석에서의 디퓨저 초기 구간의 간략화로 인해 순환 영역이 나타지 않는다는 점이었고, 그로 인해 초기 구간에서의 열전달 분포와 온도에 있어 차이를 보였다.
후속연구
본 연구를 바탕으로 순환 영역의 정량화, 속도 차이가 큰 영역에서의 블록화 등을 1차원 해석에 적용한다면 디퓨저 설계에 보다 효과적으로 응용 가능할 것으로 판단된다.
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