Investigation on the Flow Mechanism and Performance Optimization of Savonius Hydrokinetic Rotor

짱용차오 경상대학교 대학원 2021 국내박사

The Savonius hydrokinetic rotor is effective in exploiting the kinetic energy carried by flowing water. It has gained keen interest of researchers owing to its advantages, such as simple in structure and self-start characteristics. However, the efficiency of the Savonius hydrokinetic rotor is generally low, which has become an important factor hindering its wide application. Hitherto, a considerable amount of literature has been devoted to the performance optimization of the hydrokinetic rotor. Nevertheless, due to the lace detailed information about the flow characteristics and work mechanism of the rotor, the design and optimization methods of the rotor are still not mature. Furthermore, no consistent conclusions about the optimal design of the Savonius rotors have been obtained, and some conclusions obtained from different researches even conflict with each other. Therefore, investigations on the flow and performance characteristics of the rotor and revealing the work mechanism of the rotor are greatly necessitated. In the present study, advanced flow filed measurement technology and numerical simulation method were used to explore the flow mechanism of the Savonius hydrokinetic rotor and depict the typical flow structures and unsteady flow characteristics around the rotor. The time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) was used to measure the flow fields around the rotor. Effects of the rotor angle and upstream velocity were described. The typical flow structures around the rotor were depicted in detail. In further, computational fluids dynamics (CFD) technique was applied to obtain the instantaneous flow and performance characteristics of the rotor synchronously. By combining the flow mechanism and performance characteristics of the rotor, the energy conversion and work mechanism of the Savonius hydrokinetic rotor will be revealed. The results show that the high-pressure area at the upstream of the rotor influence the torque performance of the rotor significantly. A large high-pressure area forms near the concave side of the advancing blade is responsible for the high torque coefficient of the rotor. Meanwhile, the large-scale vortices downstream of the advancing blade hinder the rotation of the rotor and promote the production of negative torque. Based on the flow characteristics of the rotor, optimization of the blade shape of the rotor was carried out. Three rotors with different blade profiles were proposed and their performance and instantaneous flow characteristics were obtained numerically. The blade shape factor, which is defined as the ratio of the length of the straight edge to the radius of the circular arc of the blade (L/R), is a key parameter that determine the rotor performance. The rotor with L/R=0.81 has the maximum power coefficient of 0.164, which is 58% higher than the rotor with L/R=0.46. This is ascribed to the expansion of the high-pressure area near the concave side of the advancing blade with increasing L/R. In further, the influence of in-line configuration of two rotors on the flow patterns and performance of upstream rotor were investigated. The inter-rotor flow patterns were measured by TR-PIV, while the performance of the upstream rotor was calculated numerically. The effects of the inter-rotor distance and the downstream rotor angle were taken into consideration. The results indicate that the wake of the upstream rotor was dominated by two large-scale vortices. The rotor performance was influenced significantly by the expanding, shrinking and shifting of the large-scale vortices. The most adverse effect on the upstream rotor arises as the downstream rotor area that faces the incident flow reaches its maximum. At high upstream velocity, both the torque output and the power coefficient of the upstream rotor approach their counterparts associated with the single rotor. The negative impact of the downstream rotor on the upstream rotor decays continuously with increasing inter-rotor distance. The inter-rotor distance larger than five times the rotor diameter is suggested. Apart the rotor itself, auxiliary device is also associated with the rotor performance. Deflector plates installed at the upstream of the rotor will change the flow characteristics of the rotor and improve the rotor performance significantly. In the present, the effects of the deflector plate on the performance and flow characteristics of the rotor were investigated experimentally. The instantaneous performance and flow fields of the rotor were obtained synchronously. The results indicate that the maximum power coefficient of the rotor reaches 0.463 at the deflector angle of 60°, increasing by 148.9% relative to that at the deflector angle of 30°. The maximum power coefficient of the rotor is increased by 22.8% as the upstream velocity increases from 0.63 m/s to 0.73 m/s. The deflector plate not only prevents the impingement of the upstream flow on the returning blade, but also guides the upstream flow towards the concave side of the advancing blade. As the deflector angle increases, more upstream water with high velocity are guided to the concave side of the advancing blade. Savonius 유체 역학 로터는 흐르는 물에 의해 전달되는 운동 에너지를 활용하는 데 효과적입니다. 구조가 단순하고 자체적으로 시작하는 특성 등의 장점으로 연구자들의 큰 관심을 받고 있습니다. 그러나 Savonius 유체 역학 로터의 효율은 일반적으로 낮기 때문에 광범위한 적용을 방해하는 중요한 요소가되었습니다. 지금까지 유체 역학적 로터의 성능 최적화에 대해 상당한 양의 문헌이 작성되었습니다. 그럼에도 불구하고 로터의 흐름 특성과 작동 메커니즘에 대한 레이스 세부 정보로 인해 로터의 설계 및 최적화 방법은 아직 성숙되지 않았습니다. 또한 Savonius 로터의 최적 설계에 대한 일관된 결론을 얻지 못했으며 다른 연구에서 얻은 일부 결론은 서로 충돌하기도합니다. 따라서 로터의 흐름 및 성능 특성에 대한 조사와 로터의 작동 메커니즘을 밝히는 것이 매우 필요합니다. 현재 연구에서는 Savonius 유체 역학 로터의 흐름 메커니즘을 탐색하고 로터 주변의 전형적인 흐름 구조와 비정상 흐름 특성을 묘사하기 위해 고급 흐름 파일 측정 기술과 수치 시뮬레이션 방법을 사용했습니다. 시간 분해 입자 이미지 속도계 (TR-PIV)는 로터 주변의 유동장을 측정하는 데 사용되었습니다. 회 전자 각도와 상류 속도의 효과가 설명되었습니다. 로터 주변의 일반적인 흐름 구조가 자세히 묘사되었습니다. 또한 전산 유체 역학 (CFD) 기술을 적용하여 로터의 순간적인 흐름과 성능 특성을 동시에 얻었습니다. 유동 메커니즘과 로터의 성능 특성을 결합함으로써 Savonius 유체 역학 로터의 에너지 변환 및 작업 메커니즘이 드러납니다. 결과는 로터 상류의 고압 영역이 로터의 토크 성능에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 전진 블레이드의 오목면 근처에 큰 고압 영역이 형성되어 로터의 높은 토크 계수를 담당합니다. 한편, 전진 블레이드 하류의 대규모 와류는 로터의 회전을 방해하고 음의 토크 생성을 촉진합니다. 로터의 유동 특성을 기반으로 로터의 블레이드 형상을 최적화했습니다. 블레이드 프로파일이 다른 3 개의 로터가 제안되었고 그 성능과 순간 유동 특성이 수치 적으로 얻어졌습니다. 블레이드의 원호 반경 (L / R)에 대한 직선 모서리 길이의 비율로 정의되는 블레이드 형상 계수는 로터 성능을 결정하는 핵심 매개 변수입니다. L / R = 0.81 인 로터의 최대 전력 계수는 0.164로, L / R = 0.46 인 로터보다 58 % 높습니다. 이는 L / R이 증가함에 따라 전진 블레이드의 오목면 근처의 고압 영역이 확장 되었기 때문입니다. 또한, 두 로터의 인라인 구성이 흐름 패턴과 상류 로터의 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 로터 간 흐름 패턴은 TR-PIV로 측정되었으며 상류 로터의 성능은 수치 적으로 계산되었습니다. 로터 간 거리와 다운 스트림 로터 각도의 영향을 고려했습니다. 결과는 업스트림 로터의 후류가 두 개의 대규모 와류에 의해 지배되었음을 나타냅니다. 로터 성능은 대규모 와류의 확장, 축소 및 이동에 의해 크게 영향을 받았습니다. 상류 로터에 대한 가장 악영향은 입사 흐름을 향하는 하류 로터 영역이 최대에 도달 할 때 발생합니다. 높은 업스트림 속도에서 업스트림 로터의 토크 출력과 동력 계수는 모두 단일 로터와 관련된 대응 요소에 접근합니다. 다운 스트림 로터가 업스트림 로터에 미치는 부정적인 영향은 로터 간 거리가 증가함에 따라 지속적으로 감소합니다. 로터 직경의 5 배보다 큰 로터 간 거리가 권장됩니다. 로터 자체 외에 보조 장치도 로터 성능과 관련이 있습니다. 로터의 상류에 설치된 디플렉터 플레이트는 로터의 흐름 특성을 변경하고 로터 성능을 크게 향상시킵니다. 현재, 편향 판이 로터의 성능과 유동 특성에 미치는 영향을 실험적으로 조사 하였다. 로터의 순간적인 성능과 유동장은 동시에 얻어졌습니다. 그 결과, 로터의 최대 출력 계수는 편향 각 60 °에서 0.463에 도달하여 편향 각 30 °에 비해 148.9 % 증가했습니다. 로터의 최대 출력 계수는 업스트림 속도가 0.63m / s에서 0.73m / s로 증가함에 따라 22.8 % 증가합니다. 편향 판은 복귀 블레이드에서 상류 흐름의 충돌을 방지 할뿐만 아니라 전진 블레이드의 오목한면을 향해 상류 흐름을 안내합니다. 디플렉터 각도가 증가함에 따라 빠른 속도로 더 많은 상류 물이 전진 블레이드의 오목면으로 안내됩니다.

正四角斷面덕트 內에서 遷移非定常流動 特性에 關한 硏究

최주호 朝鮮大學校 1988 국내박사

덕트내에서의 소음은 사무실, 스튜디오 그리고 반도체 공장등 정숙한 환경을 필요로 하는 장소에 있어서 큰 문제가 되어 왔다. 덕트계의 소음제어는 흡음제를 이용한 수동 소음제어방식이 주류를 이루고 있으나 소음 감쇄 성능이 500㎐ 이상의 중고음 영역에서 유효아여 그 이하의 주파수에서는 소음 감쇄 성능이 떨어져 많은 소음기를 직렬로 사용해야하는 문제점이 있어 500㎐이하의 저주파 소음에 대해 소음원 위상과 180도 차이가 나고 동일한 크기의 2차음을 스피커로 부가하여 상호의 간섭효과로 소음을 제거하는 소위 능동 소음제어 방식이 효과적이다. 본 연구에서는 제어 스피커와 오차 마이크로폰 사이에 존재하는 보조 경로의 2차 경로 전달함수를 적응 모델링하고 이를 보상함으로써 능동 소음제어 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 적응 능동 소음 제어기법을 토대로 LMS 알고리즘을 이용하여 능동 소음 제어기를 설계하고 컴퓨터 시뮬레이션을 행하여 설계한 제어기가 소음의 크기를 크게 감쇄시키는것을 확인하였다. In the present study, the detailed structure and characteristics of steady flow, oscillatory flow and pulsating flow in a square duct are investigated analytically and experimentally in the range of transitional flow. A system of conservation equations for steady, oscillatory and pulsating duct flows are solved analytically by using the linearization of non-linear convective term and adoption of eddy viscosity from empirical correlations. Analytical solutions of velocity profiles and shear stress for these flows are obtained in the form of infinite series. The experimental study for the air flow in a square duct with ratio of 1 (40mm × 40mm)and 4000mm long is carried out to measure the velocity profiles and other parameters by using a hot-wire anemometer with data acquisition and processing system. The study on major characteristics for the flows such as the classification of flow patterns, determination of critical Reynolds number, velocity profiles and shear stress is accomplished from the results of both studies. The results obtained from analytical and experimental studies are summarized as follows: (1) The critical Reynolds numbers for steady, oscillatory, and pulsating flow depend on cross-sectional mean velocity, hydraulic diameter, fluid kinematic viscosity, dimensionless frequency and velocity amplitude ratio. The critical Reynolds numbers obtained are Re_(st cr) ≒ 1700 in the steady flow, Re_(os cr) ≒ 380 ω^(+) and Re_(os cr) ≒ 2700 in oscillatory flow, and Re_(ta cr) ≒ 1900 in pulsating flow, respectively. (2) The steady, oscillatory, and pulsating duct flows are classified into laminar, transitional, and turbulent flow regions, respectively, by the velocity waveforms obtained by the hot-wire anemometer. These three flow regions differ in axial positions and positions in z-direction. The amplitude of the velocity waveforms near the wall is smaller than that of the center line, and puffs occur in transitional square duct. (3) The friction factors for the square duct are smaller than those of the circular duct for the same Reynolds number. The friction factor of the transitional steady flow is λ_(st) ≒ 4.4 × 10^(-5) Re_(st)^(0.894) in the range of Re_(st) ≒ 1700∼2500. The instantaneous friction factor for the transitional oscillatory flow region is λu(t) ≒ 0.2877 / (Re_(os)(t))^(0.25) in the range of Re_(os) ≒ 2700~8200. The instantaneous friction factor for the transitional pulsating flow region is λu(t) ≒ 0.3925/ (Re_(ta)(t))^(0.25) in the range of Re_(ps) ≒ 1900~4100. (4) The veloctiy profiles of the transitional steady, oscillatory, and pulsating square duct flow decrease abruptly in z' ≒ 0.7∼1.0. The amplitude of the veloctiy (| u_(m os a) |) near the wall is smaller than that of the center line. The results of analytical study are in good agreement with the results of experimental study, quantitatively. (5) The distributions of shear stress for the transitional steady flow oscillatory flow, and pulsating flow increase abruptly in z' ≒ 0.8∼1.0. The shear stresses of inflow and outflow for the oscillatory and pulsating flows are symmetrical, the largest at ωt / (π/6)= 3 and 9, and the smallest at ωt / (π/6)=0 and 6. The variations in △p/ℓ, τ_(os) and τ_(ps) over one cycle for the transitional oscillatory and pulsating flows are in the form of a sine wave.

SDN 환경에서 플로우 특성을 고려한플로우 테이블 교체 알고리즘

김동렬 경기대학교 대학원 2017 국내석사

SDN (Software Defined Network) separates the existing network structure into a control plane and a data plane, and centrally manages and controls the network at the controller which is a control plane. This technology provides flexibility in the network and enables effective management according to the network conditions. However, if the performance of the switches constituting SDN is significantly different, an overflow in flow table might occur due to the low performing switch, which leads to the overhead concentration in the controller causing a bottleneck. Moreover, this may cause a delay in packet processing and may cause a problem of decreasing the user QoS. In this paper, we propose a flow table replacement algorithm considering flow characteristics in order to solve such problem. SFF algorithm distinguishes flow characteristics based on the matching period of the flow entry and determines the target of flow table replacement according to the characteristics. In order to compare the performance of SFF algorithm suggested in the current work and LRU algorithm, which is the existing standard algorithm, we constructed SDN environment and traffic with various patterns for our experiments. Through this, we show the increase in the number of flow matching and the number of long flow matching as well as the decrease in the number of message exchanges and the controller overhead. 최근 IT 기기들의 성능이 높아지면서 멀티미디어 데이터가 폭발적으로 증가하여 트래픽 패턴이 변화하였고 데이터 센터가 증가하는 등 ICT 인프라가 크게 변화하였다. 그로 인해 네트워크 구조의 개방성이 요구되었고 변화한 인프라에 대해 유연하게 대처할 수 있는 네트워크 기술이 요구되었다. 또한 네트워크 구축, 관리, 운용에서의 복잡성과 많은 비용이 발생하는 문제점을 해결하기 위한 방안이 필요해졌고 그에 따라 Software Defined Networking(SDN) 기술이 등장하였다. Software Defined Network(SDN)는 기존 네트워크 구조를 제어 평면과 포워딩 평면으로 분리하여 제어 평면에서 중앙 집중 형태로 전체 네트워크를 관리한다. SDN은 플로우 단위로 트래픽을 관리하여 세밀한 네트워크 제어와 효율적인 운영이 가능하다. 그러나 SDN을 구성하는 스위치의 성능이 크게 다를 경우 성능이 낮은 스위치에서 플로우 테이블 교체를 위해 스위치와 컨트롤러 간 메시지 교환이 증가할 수 있고 많은 스위치를 제어해야하는 컨트롤러에 오버헤드가 집중되어 네트워크 전체에 병목현상이 발생한다. 그로 인해 트래픽 처리가 지연되고 또한 사용자의 QoS가 저하되는 문제점이 있다. 본 논문에서는 이 문제를 해결하기 위해 플로우 특성을 이용하여 플로우 테이블을 관리하는 Short Flow First(SFF) 알고리즘을 제안하고 기존의 교체 알고리즘 중 LRU 알고리즘과 성능을 비교하였다. SFF 알고리즘은 플로우의 매칭 주기를 이용하여 플로우의 특성을 숏 또는 롱 플로우로 구분하고 플로우 삭제 필요 시 숏 플로우를 대상으로 우선 삭제하여 사용자 QoS를 향상시키는 알고리즘이다. 기존 LRU 알고리즘과 제안한 SFF 알고리즘의 성능 비교를 위해 SDN 환경에 비디오 트래픽과 웹 트래픽을 다양한 패턴으로 제작하여 실험을 진행하였고 결과 분석을 통해 제안한 알고리즘이 LRU 알고리즘에 비해 메시지 교환 횟수 및 컨트롤러의 오버헤드, 플로우 테이블 오버플로우가 감소함을 증명하였다.

축류 회전차 팁 틈새에서의 유동특성에 관한 연구

정재구 서울産業大學校 産業大學院 2004 국내석사

축류 터보기계의 팀 틈새 영역에서의 유동은 익의 압력면과 흡입면의 큰 압력차로 누설와류가 발생하며 하류쪽으로 방출되어 익렬 성능의 저하, 소음의 발생 및 하류익렬의 공기역학적인 진동의 원인이 된다. 이때의 유동은 복잡한 특성을 가지고 있다. 본 연구에서는 팀 틈새의 유동특성을 연구하기 위하여 Kang and Hirsch 가 실험한 저속 선형 압축기 익렬 NACA 65-1810 익을 모델로 하여 수치해석하고 실험값과 비교하였다. 수치해석은 비정상 비압축성 LES(Large Eddy Simulation) 난류모델을 적용한 4단계 분리 유한요소법 PAT-Flow(Finite Element Method)와 정상 비압축성 고레이놀즈 k-ε 모델을 적용한 상용코드인 Star-CD(Finite Volume Method)를 이용하여 3차원 수치해석을 하였다. 본 연구에서는 수치해석코드의 검증을 위하여 팁 틈새 유동의 가장 큰 변수인 팀 틈새를 t/c= 0.0, t/c= 0.01, t/c= 0.02 로 변화하며 스팬중앙, 끝벽으로부터 익현길이의 1.5%, 15% 떨어진 곳에서의 정압분포를 확인하였고 유동장내의 측방향 속도를 유동경로 x/c= 0.5, x/c= 0.875에서 실험값과 비교하였으며, 두 가지 수치해석방법 모두 대부분 잘 일치하였다. 또한 와류의 궤적, 와류의 형상크기, 와류 중심에서의 정압계수를 유동장의 이동에 따라 실험값과 비교한 경우는 FEM(LES)을 이용한 계산 결과가 FVM(k-ε)이용한 경우 보다 실험값에 더욱 일치하였다. 본 연구의 결과로는 팁 틈새 누설 유동장의 난류유동 해석은 FEM(LES)을 적용한다면 보다 정확한 예측이 가능하므로 타당성 있는 계산결과를 얻을 수 있다고 판단된다. Large amount of loss is generated at the mixing region and over all performance of turbomachinery is reduced. Also flow field have complex characteristic. In this study, a linear cascade of NACA 65-1810 profiles is investigated for tip leakage flow characteristics, and calculation results are compared with experimental result. PAT-Flow and Star-CD were used to numerical analysis tools as solve the three dimension incompressible Navier-Stokes equation. PAT-Flow is 4-step splitting finite element algorithm Method that is adopted for unsteady flow and LES(Large Eddy Simulation) turbulent model. Star-CD is a commercial code with finite volume method that is adopted for steady flow and high Reynolds k-ε turbulent model. Numerical calculation of a linear cascade is carried out to investigate tip clearance effect on pitchwise variations of velocity profiles, and static pressure distributions on the blade surface at three spanwise positions. Both numerical methods are agree well with the experimental data, and validated in this study. In case of evolution of tip vortex core location, tip vortex geometry, and static pressure at the center of the tip vortex core compared with experimental results by FEM(LES) agreed better than FVM(k-ε) results The static pressure losses by tip leakage flow at 2% tip clearance were more than that at 1% tip clearance. As the result of this study, FEM(LES) can predict better exactly about tip leakage vortex flow and behind flow field.

Experimental and numerical studies on direct oil cooling system for Li-ion battery in electric vehicle

한정우 동아대학교 대학원 2023 국내석사

The objectives of this thesis are to investigate the cooling performance characteristics of Li-ion battery pack with direct oil cooling system technology and improve the cooling performance using various fin structures. The objectives of thesis are fulfilled through experimental and numerical studies on Li-ion battery pack with direct oil cooling system using dielectric fluid. The experimental study is conducted to investigate the electrical and thermal performance characteristics of Li-ion battery pack with direct liquid cooling. The numerical study investigates the thermal and flow performance characteristics of Li-ion battery pack with direct liquid cooling considering various fin structures. The experimental study is performed to analyze the discharge and heat transfer characteristics of 18650 cylindrical Li-ion pack immersed in dielectric fluid. The discharge voltage, discharge capacity, maximum temperature, temperature difference, average temperature, heat absorbed, and heat transfer coefficient are experimentally studied under various conditions of discharge rate, inlet temperature and volume flow rate. The experimental results showed that the operating voltage and discharge capacity are decreasing with increase in the volume flow rate and decrease in the inlet temperature for all discharge rates. At the higher discharge rate of 4C, the lowest battery maximum temperatures of 60.2 °C and 44.6 °C and the highest heat transfer coefficients of 2884.25 W/m^2 K and 2290.19 W/m^2 K are reported for the highest volume flow rate of 1000 mLPM and the lowest inlet temperature of 15 °C, respectively. The feasibility of direct oil cooling system for Li-ion battery pack is assured through the experimental parametric study conducted as a preliminary investigation. To improve the cooling performance of Li-ion battery pack direct oil cooling system, the numerical study is conducted using various fin structures. The thermal and flow characteristics of battery pack with direct oil cooling system are analyzed for three fin structures of triangle, rectangle and circular and compared with base structure without fins. The numerical results shows that the triangle fin structure depict best cooling performance compared to other fin structures, however the pressure drop of triangle fin structure is higher than other fin structures. The performance evaluation criteria (PEC) is considered to suggest the best fin structure. The PEC values of 1.014, 1.003, 1.055 are evaluated at the volume flow rates of 5 LPM for circular, rectangle, triangle fin structures, respectively. The triangle fin structure is recommended as the best fin structure to achieve the optimum thermal and flow characteristics of Li-ion battery pack with direct oil cooling system. Furthermore, the influence of fin dimensions of triangle fin structure is investigated on thermal and flow characteristics. The results reveal that the maximum PEC value of 1.049 is evaluated at the volume flow rates of 5 LPM for triangle fin structure with A/B ratio of 4.304. In summary, the present work proposes parametric investigations on dielectric fluid direct oil cooling system and best fin structure with optimum thermal and flow characteristics to achieve effective thermal management of battery pack in electric vehicles 본 학위논문의 목적은 절연유체 직접 유냉 시스템이 적용된 리튬이온 배터리 팩의 냉각 성능 특성 연구 및 다양한 핀 형상 구조를 배터리팩에 적용하여 냉각 성능을 향상시키는 것이며, 논문 목적을 달성하기 위해 절연유체가 사용된 직접 유냉식 시스템에 대해 실험적 및 수치 해석적 연구가 진행되었다. 실험적 연구는 직접 유냉시스템이 적용된 리튬이온 배터리 팩의 전기 및 열적 성능 특성 연구를 진행하였으며, 수치 해석적 연구는 다양한 핀 형상이 적용된 리튬이온 배터리 팩의 열 및 유동 성능 특성 연구가 진행되었다. 실험적 연구에서 절연유체에 침지된 18650 원통형 배터리팩에 대해 방전 및 열전달 특성을 분석하기 위해 다양한 방전 속도, 유체 입구온도, 유량 조건에서 방전 전압, 방전 용량, 최고온도, 온도 차이, 평균온도, 열전달량 및 열전달계수가 분석되었다. 실험 결과로 작동 전압 및 방전 용량은 유량이 증가할수록 입구 온도가 감소할수록 모든 방전 속도에서 감소하였으며 높은 방전 속도인 4C-rat 경우에서 가장 낮은 배터리 최고온도 및 온도 차이는 60.2 °C, 44.6 °C 으로 나타났다. 열전달 계수는 가장 높은 유량 1000mLPM 및 가장 낮은 입구 온도 15 °C에서 각각 2884.25 W/m^2 K, 2290.19 W/m^2 K 으로 나타났다. 직접 유냉 시스템이 적용된 리튬이온 배터리 팩의 타당성은 실험적 파라메트릭 연구를 통해 확인하였으며 직접 유냉 시스템이 적용된 리튬이온 배터리 팩의 냉각 성능을 향상시키기 위해 다양한 핀 형상을 이용한 수치 해석적 연구가 진행되었다. 직접 유냉 시스템이 적용된 리튬이온 배터리 팩에 대해 원형, 삼각형, 사각형의 세 가지 핀 형상 구조가 적용되었으며 핀이 없는 기본 구조에 대해 열 및 유동 특성을 비교 분석하였다. 수치해석 결과로 삼각형 핀 형상 구조가 다른 핀 형상에 비해 냉각 성능이 가장 우수하였으나 압력 강하 또한 가장 높게 나타났다. 성능 평가 기준(PEC)을 사용하여 3가지 핀 중 최적 효율을 가지는 핀 형상 구조 제안하였으며, PEC값은 5 LPM 에서 원형, 사각형, 삼각형 핀 형상 구조에 대해 각각 1.014, 1.003, 1.055로 나타났으며, 삼각형 핀 형상 구조가 직접 유냉 시스템이 적용된 리튬이온 배터리 팩에 대해 최적 열 및 유동 특성을 가지는 가장 효과적인 핀 구조 현상임을 확인하였다. 또한 삼각형 핀 형상 길이에 따른 열 및 유동 특성에 대해 연구하였다. 수치해석 결과로 A/B 비율이 4.304인 경우 5LPM에서 PEC 값이 1.049로 가장 높게 나타났다. 본 연구는 전기자동차 리튬이온 배터리 팩의 효율적인 열관리를 위해 차세대 냉각 방법인 절연유체을 이용하는 직접 유냉 시스템의 파라메틱 연구 및 최적 열 및 유동 성능에 대한 최적 핀 형상 구조가 제안되었다.

180°만곡수로 합류부의 흐름특성 분석

백창식 경기대학교 대학원 1998 국내박사

본 연구는 중심각 180˚ 만곡실험수로에 합류부를 설치하여 만곡수로 합류부의 흐름특성을 분석하기 위하여 합류 지점의 위치는 만곡각 45˚ 외측이며 만곡수로 본류의 하폭을 고정시키고 유량을 각각 80ℓ/sec와 110ℓ/sec인 경우에 대하여 지류의 유입각을 30˚, 60˚, 90˚, 유량을 6, 16, 22ℓ/sec, 경사를 1/200, 1/400로 각각 변화시켜 총 36가지의 경우에 대하여 수위, 유속, 유향 등을 실측하였다. 본 연구의 실험조건에서는 만곡수로에 지류 유입이 있는 경우는 지류가 없는 경우에 비해 합류부 직상류 단면에서의 수심은 약 30%까지 상승하였다. 수심 상승비는 유량비에 비례하며, 유량 증가비에 따른 수심상승비의 크기는 거의 동일하였다. 합류부가 없는 180˚ 만곡수로에서 최대 유속의 이동경로는 본류 유입량이 증가 할수록 외측 제방으로 편의 되었으며, 합류부가 존재하는 경우에는 유량비와 합류부 유입 각도가 증가할수록 만곡부 내측으로 이동되었다. 또한 RMA-2모형을 180˚ 만곡수로와 만곡수로에 합류부가 있는 경우에 대하여 적용하고 이 결과를 실험치와 비교하였다. 이 모형에서 만곡보정은 수심보다는 유속에 더 큰 영향을 주었으며, 180˚ 만곡수로 및 만곡 합류부 계산에는 원심력항 경험계수 A_(s) = 6.0, 마찰항 경험계수 D_(s) = 0.5 로 계산한 경우가 실측치와 비교적 일치하고 있었다. 만곡보정을 실시한 RMA-2모형을 이용할 경우에는 180˚ 만곡수로 뿐만 아니라 만곡수로에 합류부가 있는 경우에도 최대 유속선의 이동 경로를 계산할 수 있었다. 본 연구 결과는 180˚ 만곡수로 합류부 설계시 기초 자료로 사용할 수 있으며, RMA-2모형에서 사용되는 만곡보정계수는 앞으로 보다 많은 실측 자료를 이용하여 최적치를 결정할 수 있을 것으로 판단된다. The curved channel of total angle 180˚ with junction located at the bend angle 45˚ of outside bank was used to analyze the characteristics of junction flow. The important factors which have influenced on the flow characteristics in channel bend with junction are discharge ratio, gradient, roughness, junction angle and so on. Thirty-six experiments are conducted by changing the discharge ratios, the junction angle and the gradient of tributary channel. The slope of the main channel is fixed at 1/750 and those of the tributary channel are 1/200 and 1/400. The discharge 80ℓ/sec, 110ℓ/sec of the main channel, the discharge 16ℓ/sec, 22ℓ/sec of tributary channel, and junction angle 30˚, 60˚, 90˚ are chosen for the experiments. This experiments shows that the water depth at directly upstream part of junction has increased up to 30% compared with that of channel bend without junction. When the discharge ratios increase, the water depth ratios increase. The amount of ratios are nearly same. The water depth ratios also increase, as the junction angles increase for the same discharge ratio. As the discharges of main channel increase, the threads of maximum velocity have moved to outer bank. RMA-2 numerical model was applied to analyze the flow characteristics of the curved channel of total angle 180˚ and the bend with junction. The bendway correction of RMA-2 model affected more sensitive on velocity terms than water depth. The model performance on bendway correction between the observed values and the computed ones has shown good agreements with A_(s) = 6.0 and D_(s) = 0.5. RMA-2 model with bendway correction can estimate the threads of maximum velocity in the curved channel of total angle 180˚ and the bend with junction. The results of this research could be useful and practical for the design of channel bend junction. Hereafter, it appears that the more accurate bendway correction factor could be determined using the various observed field data.

CFD Simulation for a M-Shaped Jumper Pipeline Containing Water-Air Multi-phase Flow

임경율 부산대학교 대학원 2020 국내석사

M-Shaped jumper is the most common subsea pipeline which consists of the horizontal piping, two loop structure with 90 degree bends and vertical piping. The selection of subsea jumper pipeline for both design and cost feasibility should be carefully considered since a jumper pipeline design requirement and analysis are not simple, and one of the most conservative design approaches is required due to high reliability requirement. Furthermore, a subsea jumper design and operation are complex due to characteristic of flow in the pipeline such as slug flow. Even though the objective of jumper pipeline design is to reduce expansion and contraction caused by changes in pressure and temperature of the pipeline, few studies have been discussed for jumper transporting multi-phase flow. In this study, numerical CFD simulations of air and water mixed two phase flow in the MShaped jumper pipeline are conducted to investigate phenomena and characteristic of flow in the entire jumper. A simulation is carried out to use commercial software, Star CCM+, which solves Reynolds-averaged Navier-Stokes(RaNS) equations. Firstly, separated water and air flow is simulated and verified through comparison with the experiment(Vallee et al.,2008). Secondly, it has been simulated in M-Shaped jumper pipeline through verification scheme. Finally, flow regime and contour along a jumper pipeline, average surface pressure on the elbows and pressure fluctuation on every parts of jumper pipeline in M-Shaped jumper pipeline are researched.

Application of sperm analysis methods and sexing sperm on artificial insemination in Hanwoo : 한우 인공수정 시 정자 분석방법 및 성 분리의 적용

Lee, Ji Eun 강원대학교 대학원 2012 국내석사

These studies were performed to examine the application of sexing sperm and sperm analysis methods such as viability, mitochondrial function, membrane stability, acrosome reaction and acrosome status on artificial in semination in Hanwoo. The semen of bulls which were produced by embryo transfer (ET) was examined for analysis of characteristics. To evaluate the effect of sheath fluid with HEPES, frozen-thawed semen was investigated. First, the viability measured by SYBR-14/PI staining and semen of bull No. 0846, 3010 and 8777 were significantly higher than that of 8778 and 8807 in bull number (p<0.05). The rates of mitochondrial function and morphological abnormality were not significantly different among the groups. When exposed to hypotonic solution, membrane stability of semen were highest percentage in bull No. 8777 (p<0.05) but it was not significantly different from the group of bull No. 0846 and 3010. Acrosome reaction and status were analyzed by coomassie brilliant blue and chlortetracycline staining respectively. The CTC patterns were not significantly different but acrosome reaction rates of bull No. 8778 was significantly lower (p<0.05) than the other semens. Second, the viability of semen incubated in sheath fluid buffer with increasing concentrations of HEPES (0, 2.5, 5, 7.5 and 10 mM) were determined at 4, 20 and 38 ℃. The survival rate of semen incubated in sheath fluid with 5 mM HEPES for 60 min at 4 ℃, was highest (p<0.05) but it was non significantly different from 2.5 mM HEPES group. The viability of semen treated with 5 mM HEPES during the sperm storage at room temperature (20 ℃) were significantly different from another group except 2.5 mM group. Under the similar condition with bovine body temperature (38 ℃), the viability of sperm was gently decreased than that of treated with other temperature. Likewise, treatment of sperm with 5 mM HEPES for 60 min were significantly effective for maintain viability than other treatments except 2.5 mM group. The viability of X-bearing sperm sorted with different temperature were significantly lower than control group except 37 ℃. But Y-bearing sperm was no differences in viability of overall temperature. Therefore, the obtaining by multi-parameter sperm assessments may lead to applications, such as selecting top male animals regarding to high quality sperm for breeding programs as a proven bull. And the sheath fluid with 5 mM HEPES has effect on maintenance of viability after sperm sexing at the similar condition with bovine body temperature. 본 연구는 생존율, 미토콘드리아 기능, 막 안정성, 기형율, 첨체반응 및 첨체 상태 등의 정자 성상 분석방법과 성 분리 과정 중 sheath fluid buffer의 조성을 개선하여 한우 인공수정에 있어 접목 가능성을 검토하기 위하여 수행하였다. 수정란 이식으로 태어난 횡성지역 한우의 정액을 수집하여 성상을 분석한 결과와 동결정액을 이용한 성 분리 시 농도 별 HEPES가 첨가된 sheath fluid의 영향을 관찰한 결과는 다음과 같다. 첫 째, 총 5마리의 횡성지역 수소의 정자 생존율을 SYBR-14/PI 이중염색법으로 분석한 결과 0846, 3010 및 8777개체가 나머지 8778 및 8807 개체보다 유의적으로 높게(p<0.05) 나타났으며 생존율이 높은 3마리 사이에 유의차는 없었다. 각각 Rhodamine 123과 Rose-bengal염색으로 관찰한 미토콘드리아 기능율 및 기형율은 모든 개체에서 유의적인 차이가 발견되지 않았다. 저장액에 정자를 노출시켜 평가했을 때 8777개체가 유의적으로 가장 높은 막 안정성을 보였으나 0846 및 3010개체의 안정성과 유의적인 차이가 없었다. 첨체반응과 첨체 상태는 각각 Coomassie brilliant blue와 Chlortetracycline으로 염색한 뒤 결과를 분석하였고 CTC pattern에서는 개체 간 유의차를 보이지 않았으나 8778개체가 가장 낮은 첨체반응율을 보여 다른 개체와 유의적인 차이를 나타냈다(p<0.05). 둘 째, 농도 별 HEPES(0, 2.5, 5, 7.5 및 10 mM)를 처리한 sheath fluid buffer와 정자를 다양한 온도에서 방치한 결과 4 ℃에서 60분간 배양했을 때 5 mM HEPES를 첨가한 그룹이 가장 높은 생존율을 보였으나(p<0.05) 2.5 mM을 첨가한 그룹과 유의적인 차이는 없었다. 20 ℃에서 60분간 배양한 정자의 생존율은 5 mM HEPES 그룹이 2.5 mM HEPES 그룹을 제외한 모든 처리군 및 대조군에 비해 유의적으로 높았다(p<0.05). 38 ℃에서는 처리시간이 경과함에 따른 생존율이 다른 온도에 비해 완만하게 하락하는 경향을 보였으며 다른 온도조건과 마찬가지로 60분간 배양했을 때 비록 2.5 mM HEPES와 유의적인 차이는 없었으나 5 mM HEPES 그룹의 생존율이 가장 높았다. 온도를 다르게 설정한 유속세포분리기로 X-정자와 Y-정자를 분리한 뒤 생존율을 분석한 결과 Y-정자는 모든 온도에서 대조구와 유의적인 차이가 없었지만 X-정자는 37 ℃를 제외한 모든 처리구가 대조구보다 유의적으로 낮은 생존율을 보였다(p<0.05). 본 연구의 결과 다중적 정자 성상 검사법은 높은 번식능력을 갖고 있는 종모우를 선발하는 데 적용될 수 있으며, 한우 정자의 성 분리 시 5 mM의 HEPES가 첨가된 sheath fluid를 이용하여 소의 체온과 비슷한 온도로 실시한다면 생존율을 유지하는데 도움이 될 수 있을 것이라 생각된다.

The effect of suction bell mouth shape on the flow characteristics in pump sump model

Ming Guo 목포대학교 대학원 2019 국내석사

저수지 또는 강에서 물을 끌어 당기는 펌프장 흡수정은 농업 관개, 도시 배수 및 공업용 수 공급 및 화물선에 널리 사용한다. 펌프장 흡수정의 성능은 수분 섭취 시스템 효율의 핵심 포인트이므로 전체 시스템의 다양한 요구 사항을 충족시켜야한다. 수조의 모양과 크기, 종의 벨과 같은 고려해야 할 필수 요소가 많이 있다. 입구, 침수 깊이, 유속 및 수위 등을 고려해야한다. 엔지니어링 프로젝트에서는 어떤 종류의 수자원을 이송해야하는지에 상관없이 적절한 흡입관 상태가 필요한다. 우리 모두 알다시피, 벨 마우스 모양은 벨 마우스 주변의 소용돌이 흐름 조건에 큰 영향을 미친다. 일반적으로, 펌프 유증기의 입구 벨 마우스와 물 공급 탱크 (예 : 잠수 된 와류 또는 공기 비말 동반 소용돌이)와의 연결에는 바람직하지 않은 와류가 발생한다. 소용돌이가 신속하게 억제되지 않으면 소음 및 진동 발생과 함께 수분 섭취 시스템에 크게 부정적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 펌프 섬프 모형의 유동 특성에 대한 흡입 벨 마우스 형상 조건을 조사하고자 하였다. 자세한 실험과 수치 시뮬레이션은 전산 유체 역학과 실험 방법을 사용하여 수행되었다. 유속과 수위 사이의 선형 관계가 발견되었다. Case 7 (free surface vortex)와 case 13 (submerged vortex)은 수치 시뮬레이션을 위해 선택되었다. 내부 유동 특성의 차이를 조사 하였다. 다양한 벨 마우스 모양이 와류 발생에 미치는 영향에 대해서도 조사 하였다. 3 개의 다양한 종 모양이 채택되었다. 수치 적 방법과 실험 방법 모두를 사용하여 세 가지 형태의 차이점을 조사했다. 벨 마우스 3은 벨 마우스 1과 2보다 더 좋은 효과를 나타냈다. 소용돌이 흐름의 강도는 3 가지 형태 중에서 가장 약했다. 이 모델에서 측정 된 압력 변동은 가장 작았다. 더 많은 내부 유동 특성이 확인되었고 수치 시뮬레이션은 실험 결과와 잘 일치했다. 또한 흡입 벨 마우스 모양의 최적화가 조사되었다. 유동 균일 성 및 접선 속도 계수가 목적 함수로 채택되었다. 최적화 방법을 사용하여 적절한 벨 마우스 모양이 발견되었다. 원래 및 최적화 된 모델에 대한 CFD 분석이 수행되었다. 내부 흐름 패턴을 평가하기 위해 다양한 평가 기준을 적용했다. 결과는 최적의 벨 마우스 모양이 소용돌이 흐름 강도의 억제에 더 나은 성능을 달성했다는 것을 보여주었다. The pump sump, for drawing water from a reservoir or river, is widely used in agriculture irrigation, city drainage, and industrial water supply and cargo ships. The performance of pump sump is a key point of the water intake system efficiency, so it should meet the diverse requirements in the whole system, there are many indispensible factors which need to be considered, such as, shape and size of water tank, bell mouth, submergence depth, flow rate, and water level etc. In the engineering projects, no matter which kind of water resource needs to be transported, a proper entrance suction pipe condition is needed. As we all know, the bell mouth shape has great effect on the swirl flow condition around the bell mouth. Usually, some undesirable vortex occurs in the connection of inlet bell mouth and water supply tank in pump sump, such as submerged vortex or air entrained vortex. If the vortices can’t be suppressed promptly, there will be a greatly negative effect on the water intake system, accompanying with noise and vibration occurrence. This study aimed to investigate about the suction bell mouth shape condition on the flow characteristics of pump sump model. The detailed experiments and numerical simulations were conducted by using computational fluid dynamics and experiment method. A nearly linear relationship between the flow rate and water level was found. The case 7(free surface vortex) and case13(submerged vortex) were selected for numerical simulations. The difference of internal flow characteristics were investigated. The effect of various bell mouth shape on the vortex occurrence also was investigated. Three various bell mouth shapes were adopted. Both of the numerical method and experiment method were employed to investigate the difference among the three shapes. Bell mouth 3 showed a better effect than bell mouth 1 and 2. The intensity of swirl flow was weakest among the three shapes. The pressure fluctuation measured in this model was smallest. More internal flow characteristics were checked and the numerical simulations agreed well with experiment result. Additionally, the optimization of suction bell mouth shape was investigated. The flow uniformity and tangential velocity coefficient were adopted as the objective functions. By using the optimization method, a suitable bell mouth shape was found. The CFD analysis of original and optimized models were carried out. Various evaluation criterias were emplyed to estimate the internal flow pattern. The results showed the optimized bell mouth shape achieved a better performance on the suppression of the swirl flow intensity.

Numerical Investigation on the Flow Analysis of the Blowing Wall with a Diaphragm

몬킨우 건국대학교 대학원 2014 국내박사

LES analysis was conducted to investigate the role of diaphragm on the downstream flow dynamics. Special attentions are put on the evolution of small scales vortices on the fluctuating flow dynamics in the vicinity of injection wall. Even though the chemical reaction was not considered, the calculation results can be useful in determining the turbulent characteristics generated by the diaphragm. The calculation results show that the installation of diaphragm can introduce the decreasing or increasing trend of fluctuating motion on the downstream flow field depending on the axial location. Calculation results also revealed that the streak lines analysis on the vorticity distribution could represent the phenomena of the decrease or increase local heat flux due to the vortices and oscillatory flow motion as in the actual hybrid rocket motor. This downstream flow phenomenon can be influenced by the interaction of the active and strong vorticity production. In present study, LES technique is applied for turbulent oxidizer flow convecting in a cylindrical pipe with surface mass injection. Motivated to the fact that observing the biased increase of regression around the diaphragm and obtaining the decrease local regression rate on the downstream surface, it is aimed to understand the internal flow characteristics with an objective of exploring on the change of local regression rate to the extent of fluid mechanics point of view. Motivated as the aforementioned issues on the evolution of turbulent coherent vortices on the downstream blowing surface, LES study was conducted without chemical reaction. The main objective is intended to understand the flow variation on the blowing surface in the turbulent boundary layer as it is characterized by strong velocity, temperature, and species gradients normal to the surface, and mass, momentum and energy transport are dominated by the turbulent flow processes. Especially the present study is intended to investigate the dynamics role of turbulent coherent vortices in the boundary layer by the action of vertical fluctuating motion, the existence of oscillatory flow motion and the heat transfer characteristics with the turbulent flow field which are related to the change of flow dynamics and heat transfer on the fuel surface in actual hybrid rocket motor. 다이어프램이 유동의 후류에 미치는 영향을 LES기법으로 분석하였다. 벽면분사 근처 맥동류에서 발달하는 작은 와류의 특성에 중점을 두었다. 화학반응을 포함하지 않았음에도 불구하고 이 계산 결과는 다이어프램에 의해 발생된 난류의 특성을 분석하는 것에 유용하다. 다이어프램을 설치 함으로써 후류의 유동장에서 축방향 위치에 따라 맥동류가 증가 및 감소 한 것이 (계산 결과에서) 관찰되었다. 또한, 실제 하이브리드 로켓 모터에 서 와류와 진동유동에 의해 증가하거나 감소하는 국소적열전달이 와류 분 포에 대한 흐름맥분석에 의해 묘사되었다. 후류에서 발생하는 이 현상은 활발하고 강한 와류 생성에 영향을 받았을 가능성이 있다. 본 논문에서는 난류 상태의 산화제의 실린더 파이프 유동과 파이프 벽 면에서 질량분사의 모사에 LES기법이 적용되었다.다이어프램 근처에서의 국부적 연소율 증가와 후류에서의 연소율 감소가 관측됨에 따라 국소적연 소율의 변화와 내부 유동의 특성을 유체 관점에서 분석하는 것을 목표로 하였다. 앞서 언급한 사항들에 의해 벽면 분사가 있는 난류 유동 후류에서의 와 류 발생을 화학 반응 없이 LES기법으로 계산하였다. 주요 목표는 벽면 분사가 난류 경계층에 미치는 영향을 이해하는 것으며 이는 벽면 수직 방 향으로 나타나는 속도, 온도 그리고 화학종 구배에 의해 특징지어진다. 또 한 질량, 운동량, 에너지 전달은 난류 유동에 의해 지배된다.특히 난류의 수직 fluctuating motion, 진동 유동과 열전달 특성이 난류 경계층에서의 와류에 미치는 영향과 그것이 어떻게 실제 하이브리드 로켓 모터에서 유 동 특성과 연료 표면의 열전달에 관계되는지를 분석하였다.