초록 ▼

본 연구에서는 고온기기 부품의 효과적 냉각을 위한 충돌제트냉각, 막냉각, 요철설치 덕트냉각기술들에 대한 기본적인 열/유동 특성 고찰과 단위냉각기술의 복합적용을 통한 복합냉각기술 개발 및 냉각성능향상을 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위해 열전달실험, 유동실험 및 수치해석을 병행하여 수행함으로써 결과의 완성도를 높이고 효과를 극대화할 수 있었다.
고온기기부품 냉각을 위한 각각의 단위기술에 대한 구체적인 연구내용은 다음과 같다.
- 충돌제트 냉각기술 :
와류제어에의한 충돌제트 열전달 향상
배출제어에의한 열전달

본 연구에서는 고온기기 부품의 효과적 냉각을 위한 충돌제트냉각, 막냉각, 요철설치 덕트냉각기술들에 대한 기본적인 열/유동 특성 고찰과 단위냉각기술의 복합적용을 통한 복합냉각기술 개발 및 냉각성능향상을 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위해 열전달실험, 유동실험 및 수치해석을 병행하여 수행함으로써 결과의 완성도를 높이고 효과를 극대화할 수 있었다.
고온기기부품 냉각을 위한 각각의 단위기술에 대한 구체적인 연구내용은 다음과 같다.
- 충돌제트 냉각기술 :
와류제어에의한 충돌제트 열전달 향상
배출제어에의한 열전달 및 균일성 향상, 초음속 충돌제트 특성
- 막냉각 기술 :
막냉각홀 배열 및 형상 효과 고찰 및 최적조건 도출
슬롯막냉각 및 막냉각홀 내부 열전달 특성
- 요철설치 덕트냉각기술 :
복잡한 단락요철 및 multi-Pass 특성을 고려한 덕트의 열전달 특성
회전하는 덕트에 요철이 설치된 경우 냉각설계인자 고찰
따라서 본 연구의 성과를 바탕으로 국내 기간산업에 필요한 기본 열설계기술 발전 및 고온요소 냉각문제 해결 및 정밀한 열전달 제 어 기술 개 발에 도움을 줄 수 있을 것이다.

Abstract ▼

The present research will be conducted to develop the cooling techniques for high-temperature components to obtain maximal cooling efficiencies using mainly jet impingement cooling, film cooling and rib-roughened duct cooling techniques. First, this research will find the optimum operation condition

The present research will be conducted to develop the cooling techniques for high-temperature components to obtain maximal cooling efficiencies using mainly jet impingement cooling, film cooling and rib-roughened duct cooling techniques. First, this research will find the optimum operation conditions of each cooling technique from analyzing the flow and heat transfer characteristics. For these purpose, the study will be performed to enhance the heat transfer rates and uniformity by the vortex control and the employment of effusion holes on the impingement surface for the jet impingement cooling technique, and to increase the cooling effectiveness and uniformity for the film cooling technique using optimized hole geometries and compound angle film cooling holes. In the rib-roughened duct cooling technique, we will also investigate the flow/heat transfer characteristics of the ribbed ducts including the effects of rotation and multi-pass.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...7
• CONTENTS...10
• 목차...14
• 제1장 연구개발과제의 개요...18
• 제2장 국내외 기술개발 현황...20
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...22
• 제1절 충돌제트 냉각기술...22
• 1. 음향여기에 의한 충돌제트의 유동 및 열전달 특성...22
• 가. 실험 방법...22
• (1) 유동가시화...22
• (2) 속도 및 난류성분 측정과 FFT 처리...23
• (3) 열전달 계수 측정...23
• 나. 실험장치...26
• 다. 실험 결과 및 고찰...28
• (1) 와류의 주파수 특성...28
• (2) 유동 가시화...29
• (3) 속도분포와 난류성분...30
• (4) 열전달 계수...31
• 라. 결론...35
• 2. 이차유동에 의한 와류제어...35
• 가. 실험 장치...35
• 나. 실험 결과 및 고찰...36
• (1) 유동가시화...36
• (2) 속도 및 난류성분...37
• (3) 열전달 계수...40
• 다. 결론...44
• 3. 노즐 출구에 설치된 다중관에 의한 열전달 특성...44
• 가. 실험 장치...44
• 나. 실험 결과 및 고찰...45
• (1) 속도 분포와 난류 성분...45
• (2) 열전달 계수...48
• 다. 결론...50
• 4. 배열 충돌 제트...51
• 가. 실험 장치 및 방법...51
• 나. 결과 및 고찰...53
• (1) 유동 특성...53
• (2) 국소 열/물질 전달 계수...56
• (3) 평균 열/물질 전달 계수...60
• 다. 결론...61
• 5. 초음속 유동에 의한 열전달 특성...62
• 가. 실험장치 및 방법...62
• (1) 초음속 유동 발생 장치...62
• (2) 노즐...63
• (3) 단열 벽면온도 측정...64
• (4) 표면 압력분포 측정...64
• (5) 신호 획득 장치...65
• (6) 실험 조건...65
• 나. 결과 및 고찰...66
• (1) 자유제트...66
• (2) 수직 충돌 제트...69
• (3) 경사 충돌 제트...80
• 제2절 막 냉각기술...84
• 1. 막냉각에 따른 벽면 열전달 특성...84
• 가. 실험 장치...84
• (1) 유동공급 시스템...84
• (2) 막냉각 홀 시험시편 및 형상...86
• (3) 승화깊이 측정장치...87
• (4) 선형가변 차동 변환기...87
• (5) 2차원 자동 이송 장치...88
• 나. 실험방법...88
• (1) 나프탈렌 주조 과정...89
• (2) 열전달과 물질전달의 상사성...89
• (3) 물질 전달계수 및 막냉각 효율의 계산...90
• (4) Net Heat Flux Reduction (NHFR)...92
• 다. 결과 및 고찰...92
• (1) 막냉각 홀 내부 및 주위에서의 유동특성...93
• (2) 횡방향 분사각도에 따른 냉각특성...96
• (3) 분사율 변화에 따른 냉각특성...100
• (4) Net Heat Flux Reduction (NHFR)...101
• (5) 면적비 변화에 따른 냉각특성...102
• (6) 주유동의 난류강도 효과...104
• (가) 열/물질 전달 특성...104
• (나) 막냉각 효율 특성...106
• 2. 냉각유로내의 열전달 특성...107
• 가. 실험 장치...107
• 나. 수치 계산...108
• 다. 결과 및 고찰...108
• (1) 정사각 막냉각 홀 내부에서의 유동 및 열/물질전달 특성...108
• (가) 분사율 변화 효과...111
• (나) Reynolds 수 변화 효과...115
• (2) 직사각 막냉각 홀 내부에서의 열/물질 전달 특성...116
• (가) 분사율 변화 효과...116
• (나) Reynolds 수 변화 효과...118
• 3. 슬롯 막냉각...119
• 가. 실험 장치 및 방법...119
• (1) 슬롯 막냉각 시험시편...120
• (2) 분사 방식 변환...120
• (3) 냉각 유체 공급유로의 방식 변화...120
• (4) 2차원 슬롯 시험시편...121
• (5) 속도 측정...122
• (6) 국소 열/물질 전달 계수 측정...122
• 나. 실험 결과 및 고찰...123
• (1) 2차원 슬롯 실험 결과...123
• (2) 분사방식 변화에 따른 효과...124
• (가) 온도장...124
• (나) 립 내벽의 물질전달계수 분포...126
• (3) 냉각유체 공급유로의 방식 변화에 따른 효과...127
• (가) 속도장 측정 결과...127
• (나) 슬롯 출구에 서 의 유동장 수치해석...129
• (다) 립 내벽의 물질전달 계수 분포...131
• 제3절 요철설치 냉각기술...135
• 1. 요철의 배열 및 단락에 따른 열전달 특성...135
• 가. 실험장치 및 방법...136
• 나. 열전달 결과...139
• (1) 연속 요철의 열전달...139
• (2) 단락 요철의 열전달...141
• (3) 마찰 손실 결과...143
• (4) 평균 열/물질전달 및 열/물질전달 성능계수...145
• 2. Multi-pass 곡관부에서의 열전달 특성 고찰...146
• 가. 실험장치 및 방법...146
• 나. 유동 특성...147
• 다. 열/물질 전달 결과...149
• 3. 매끈한 덕트의 회전효과에 따른 유동/열전달 특성...151
• 가. 유동 특성...151
• 나. 열/물질 전달 결과...152
• 4. Multi-pass 특성을 고려한 요철배열 및 회전수에 의한 열전달 특성...155
• 가. 열/물질 전달 특성...157
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...161
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...165
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...166
• 제7장 참고문헌...171