12 제 2발표장 (31일 목) 열유동[I]

본 연구에서는 원형휜-관 열교환기의 설계를 위하여 비정상상태 3 차원, 층류 및 비압축성 유동으로 가정하여 자연대류 열전달 특성에 관하여 수치적으로 연구를 수행하였다. 수치해석에 대한 검증으로 단일 수평 원형관의 수치해석 결과, Morgan의 상관식과 정량적으로 매우 근사하였고 Churchill & Chu와 정성적으로 동일하게 나타났다. Kang의 실험보다 20% 정도 하향 예측하였으나 정성적으로 동일한 경향을 보였다. 자연대류 열전달에 대한 수치해석의 예측 정확도는 RaD > 400 을 기준으로 판별할수 있으며 수치해석의 예측한계를 확인하였다. 또한 원형휜-관 열교환기의 유효 휜 설계 기준은 Ras > 100 으로 제안하였다. Ras 수가 100보다 낮은 저 Rayleigh 수 영역에서는 휜과 휜 사이의 공기층은 자연 대류에서 외부 공기로의 영향을 거의 받지 않고정체되어 열저항으로 작용하므로 휜은 Ras 수 100 이상인 영역에서 열전달 향상에 기여하는 것을 확인하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of circular fin-tube heat exchanger studied in the present work

Fig. 2 Comparison of heat transfer in circular fin-tube heat exchangers.

후 기본 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지 인력 양성 사업 (No. 20194010201800)의 지원을 받았습니다.

참고문헌[1] 1949, Schmidt, T.E., “Heat transfer calculations for extended surfaces," J. ASRE, Refrigeration Engineering, Vol.4, p. 351-357.[2] 1954, Merk, H.J. and Prins, J.A., “Thermal Convection Laminar Boundary Layer III," Applied Scientific Research, A4, p. 207-221. [3] 2018, Kang, H.C. and Chang, S.M., “The Correlation of Heat Transfer Coefficients for the Laminar Natural Convection in a

Circular Finned-Tube Heat Exchanger," ASME J. Heat Transfer, Vol.140, p. 031801(1-10).

원형휜-관 열교환기의 자연대류 열전달 특성에 관한 연구

이 종 휘1, 신 종 현1, 장 세 명2*

NATURAL CONVECTION HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF

CIRCULAR FIN-TUBE HEAT EXCHANGER

J.H. Lee, J.H. Shin and S.M. Chang

1 학생회원, 군산대학교 기계융합시스템공학부2 정회원, 군산대학교 기계융합시스템공학부 * Corresponding author E-mail: smchang@kunsan.ac.kr, Tel : 063) 469-4724

(31일 목) 제 2발표장 13 열유동[I]

모터 에어갭 내부 난류 열전달에 대한 직접수치모사

양 민 규1, 장 준 호1, 김 기 하1, 최 정 일2*

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENT HEAT TRANSFER

IN A MOTOR AIR GAP

M.G. Yang, J.H. Jang, K.H. Kim and J.I. Choi

모터 에어갭 내부의 난류 열전달은 모터 내부의 열을 외부로 방출하는 역할을 한다.[1] 따라서 모터 에어갭 내부의 난류 열유동을 직접수치모사(Direct Numerical Simulation)하여 열전달 성능을 분석하였다. 본 연구는 3차원 q--값 실린더 좌표계를 사용, 모터치(Teeth) 형상을 경계조건으로 모델링하여 VDPM(Velocity Decoupled Projection Method)으로 구현하였으며, 이중원관의 유동으로해석자의 유효성을 검증하였다.[2] 공기와 오일 조건에서 해석을 진행하였으며, Q-정의에 의한 볼텍스 구조 해석, 평균 유동장과온도장의 분포, 평균 및 제곱평균 제곱근(RMS) 속도장을 분석하였다. 이후 평균 온도장 분석을 통하여 지역 열전달 계수, 평균 열전달 계수를 산출하였으며, 이를 통하여 모터 내부의 난류 열유동이 모터의 열전달에 얼마나 영향을 끼쳤는지에 대한 결과를 도출하였다. 이후 해당 결과를 바탕으로 RANS 해석으로 구성된 0-D 열적 회로 모델을 일부 재구성하여 오차를 분석하였다.

Fig. 1 Geometry of Motor Air Gap

Fig. 2 Mean Velocity and Mean Temperature Field of Motor Air Gap (Air Domain)

참고문헌[1] 2017, A. Nouri-Borujerdi, M.E. Kakhchi, “Heat transfer enhancement in annular flow with outer grooved cylinder and rotating inner

cylinder: Review and experiments”, Applied Thermal Engineering, Vol.120, p.257-268.[2] 2002, Chung, S.Y., Rhee, G.H., Sung, H.J., “Direct numerical simulation of turbulent concentric annular pipe flow Part 1: Flow

field”, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol.23, p.426-440.

1 학생회원, 연세대학교 계산과학공학과2 정회원, 연세대학교 계산과학공학과 * Corresponding author E-mail: jic@yonsei.ac.kr, Tel : 02) 2123-6121

14 제 2발표장 (31일 목) 열유동[I]

엇갈린 배열의 관군 열전달 전산해석 및 불확정성 정량화 기법의 적용

김 병 천1, 장 경 식2*, 배 재 현1

UNCERTAINTY QUANTIFICATION FOR HEAT TRANSFER SIMULATION

ON STAGGERED PIN-FIN MATRIX

B.C. Kim, K.S Chang and J.H. Bae

컴퓨터의 성능이 발달함에 따라 전산유동해석(CFD) 기법에 불확실성 정량화(UQ, Uncertainty Quantification) 기법을 적용하여, 입력변수의 불확실성에 대한 결과값의 영향을 알아보는 연구가 활발히 진행 중이다. 대표적인 방법으로 몬테카를로(MC, Monte Carlo) 기법이 있으나, 많은 양의 계산을 필요로 하여 적용에는 제한적이다. NISP(Non-Intrusive Spectral Projection) 기법은 기존 코드의 변경없이 랜덤 입력 변수에 대한 확률적 해를 정량화하기 때문에 비교적 간단하게 UQ를 구현할 수 있다는 장점이 있다. 열전달 성능을 향상시키기 위한 핀-휜(Pin-fin) 구조는 열교환기, 터빈 블레이드 냉각, 원자로 등에 널리 사용되는 구조이다. 하

지만 비교적 단순한 형상에도 불구하고, 핀-휜의 열유동 구조는 단순하지 않아 많은 연구가 진행되고 있다. Ames[1]등은 핀 직경의 2.5배인 간격을 가진 핀-휜 배열에서 다양한 벽면의 열조건에 대하여 실험을 진행하였다. Carnevale[2]등은 엇갈림 핀-휜 배열의 전산열유동해석결과에 불확실성 정량화 기법을 적용하여, 입력변수와 난류모델에 대한 불확실성을 연구하였다.본 연구에서는 기존의 전산열유동해석자를 기반으로 엇갈림 배열의 관군에서 확률적 입력변수에 대한 결과값의 영향을 살펴

보았다. 이 때, 입력 변수는 입구유동의 속도와 벽면의 온도로 설정하였으며, 입구유동 속도는 평균값() 3.45m/s, 표준편차() 0.8625m/s인 Gaussian 분포로 가정하였고, 벽면의 온도는 평균값 42°C, 표준편차 4.2°C인 Gaussian 분포로 가정하였다. 확률적 입력값에 대하여 2차, 3차 오더의 gPCE(generalized Polynomial Chaos Expansion)를 고려하였다.결과값으로는 벽면 Nusselt 수의 분포와 각 열의 Pin Nusselt 수의 분포, 평균 Nusselt 수의 통계치를 구하였다.

Fig 1. Geometry and boundary conditions of the staggered pin-fin matrix

후 기본 논문은 2019년도 정부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임.(NRF-2019M2D2A1A02057791)

참고문헌[1] 2007, Ames, Forrest E., Chad A. Nordquist, and Lindsay A. Klennert, "Endwall heat transfer measurements in a staggered pin fin

array with an adiabatic pin." In ASME Turbo Expo 2007: Power for Land, Sea, and Air, pp. 423-432.[2] 2013, Carnevale, M., F. Montomoli, A. D’Ammaro, S. Salvadori, and F. Martelli. "Uncertainty quantification: A stochastic method

for heat transfer prediction using LES." Journal of Turbomachinery, Vol.135, no. 5 : 051021.

1 학생회원, 울산대학교 기계공학부2 정회원, 울산대학교 기계공학부 * Corresponding author E-mail: kschang76@ulsan.ac.kr, Tel : 052) 259-2138

(31일 목) 제 2발표장 15 열유동[I]

단순 연료전지의 유로 형상에 따른국부 압력강하 및 열전달 성능에 관한 수치적 연구

강 가 연1, 강 희 찬2*

NUMERICAL STUDY ON THE LOCAL PRESSURE DROP AND HEAT TRANSFER PERFORMANCE

ACCORDING TO THE FLOW FIELDS OF SIMPLIFIED FUEL CELL

G. Y. Kang1 and H. C. Kang2*

The purpose of this study is to investigate the local pressure drop and heat transfer characteristics according to the flow fields of the electrode of simplified fuel cell. Numerical calculations were performed for serpentine, parallel and netleaf and two ginkgo flow fields that simulates the leaf veins of plants as shown in Fig. 1. The electrode size was 50 mm x 50 mm, the cross section of a flow path was 0.8 mm x 0.8 mm, the air flow rate was 1.8x10-5-7.1x10-5, the air and electrode temperatures were 25°C and 80°C. Numerical calculations were performed using CFX v18 and air flow was assumed as a steady laminar flow without chemical reaction. When the air flow rate is 1.8x10-5, the local pressure losses of the inlet, the flow path and the outlet is shown in Fig. 2. The total pressure loss of serpentine is very large and the pressure losses of the two ginkgos are about 5% of the serpentine. The pressure loss at the inlet and outlet of the parallel is greater than other flow fields. Temperature difference of inlet and exit is proportional to heat transfer. At low flow rates, the order of temperature difference is parallel, ginkgo x, ginkgo, serpentine, and netleaf as shown in Fig. 3. However at high flow rates, the order is changed as ginkgo x, ginkgo, parallel, netleaf, and serpentine. The results will contribute to design the flow field of fuel cell.

후 기본 연구는 한국연구재단의 지원(과제번호 2017R1D1A1A02019323)을 받아 수행하였습니다.

p s g n gx0

2000

4000

6000

1000

3000

5000

pres

sure

dro

p, D

P [P

a]

DPin

DPcore

DPex

Fig. 2 Flow field vs local pressure drop at mdot=3.5x10-5 kg/s

0x100 2x10-5 4x10-5 6x10-5 8x10-5

mass flow rate, m_dot [kg/s]

100

50

30

20

tem

pera

ture

diff

eren

ce, D

T [o C

]

parallelserpentineginkgonetleafginkgo gx

Fig. 3 Comparison of temperature difference of flow field

p(parallel) s(serpentine)

g(ginkgo) n(netleaf)

gx(ginkgo x)

Fig. 1 Flow fields of this work

1 군산대학교 산학협력단2 군산대학교 기계융합시스템공학부 *Corresponding author E-mail: hckang@kunsan.ac.kr, Tel: 063-469-4722