봉다발 유동 내 비틀림 혼합날개 지지격자의 대류열전달 성능 평가

이치영(Chi Young Lee) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.3

봉다발 유동에서 비틀림 혼합날개 지지격자의 대류열전달 성능을 실험적으로 평가하였다. 시험부는 4×4 정사각 배열의 봉다발로 제작하였고, 모의 봉다발에서 봉 중심 간 거리와 봉 외경의 비는 ~1.35이다. 대류열전달 성능 평가를 위해 혼합날개 지지격자 하류에서 봉 벽면 온도의 원주방향 및 축방향 분포를 측정하였다. 원주방향의 경우, 지지격자 하류에서 비틀림 혼합날개 끝이 향하는 벽면의 온도가 가장 낮게 나타났는데 이는 비틀림 혼합날개에 의해 왜곡된 유동 때문으로 판단된다. 반면, 축방향의 경우, 혼합날개 지지격자 근처에서 벽면의 온도가 크게 낮아졌는데, 이는 비틀림 혼합날개에 의해 대류열 전달이 향상됨을 의미한다. 비틀림 혼합날개 지지격자에 의해 대류열전달 성능은 지지격자 상류에 비해 지지격자 근처 하류에서 ~35 % 향상되었고, 실험데이터를 기반으로 비틀림 혼합날개 지지격자에 대한 열전달 성능 예측 상관식을 제안하였다. The performance of convective heat transfer in rod bundle flow was experimentally evaluated using a twistvane spacer grid. A 4×4 square-arrayed rod bundle was prepared as the test section, with a pitch-to-diameter ratio(P/D) of ~1.35. To check the convective heat transfer performance, the circumferential and longitudinal variations in rod-wall temperatures were measured downstream of the twist-vane spacer grid. In the circumferential measurements, the rodwall temperature toward the twist-vane tip showed the lowest value, which might be due to the deflected water flow caused by the twist-vane. On the other hand, the wall temperature of the longitudinal measurements near the twist-vane spacer grid decreased dramatically, which implies that the convective heat transfer performance was enhanced. A heat transfer enhancement of ~35 % was achieved near downstream of the twist-vane spacer grid, as compared with the upstream value. Based on the present experimental data, a correlation for predicting the heat transfer performance of a twist-vane spacer grid was proposed.

이중냉각 환형핵연료 집합체를 위한 비틀림 혼합날개 지지격자의 강제대류열전달 성능 검토

이치영(Chi Young Lee) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.1

이중냉각 환형핵연료 집합체를 위한 비틀림 혼합날개 지지격자의 강제대류열전달 성능을 실험적으로 평가하였다. 비틀림 혼합날개 지지격자는 부수로 간 혼합뿐 아니라 부수로 내 혼합을 동시에 증대시킬 수 있도록 설계되었다. 실험을 위한 이중냉각 환형핵연료 모의 집합체로, 봉 중심 간 거리와 봉 외경의 비가 1.08인 봉 간격이 좁은 4×4 정사각 배열의 봉다발을 준비하였다. 실험은 봉다발 유동의 축방향 평균속도가 1.5 m/s, 열유속은 26 kW/m<SUP>2</SUP>인 조건에서 수행하였다. 원주방향 온도 분포의 경우, 지지격자 상류에서는 부수로 중심 벽면에서, 하류에서는 비틀림 혼합날개 끝이 향하는 벽면에서 온도가 가장 낮게 나타났다. 축방향 온도 분포의 경우, 지지격자 하류 근처에서 온도가 급격하게 감소하는 것으로 측정되었고, 비틀림 혼합날개에 의해 누셀트 수는 최대 56 % 증대되는 것으로 나타났다. 본 실험결과를 토대로 봉 간격이 좁은 이중냉각 환형핵연료 집합체에서 비틀림 혼합날개 지지격자에 의해 강제대류열 전달 성능이 효과적으로 증대될 수 있음을 확인하였다. The forced convection heat transfer performance of a twist-vane spacer grid for a dual-cooled annular fuel assembly was examined experimentally. The twist-vane spacer grid was uniquely designed to enhance mixing inside subchannels and mixing between adjacent subchannels. For testing, a 4 × 4 square-arrayed rod bundle with narrow gaps between rods was prepared as the dual-cooled annular fuel assembly to be simulated. The pitch-to-rod diameter ratio of simulated dual-cooled annular fuel assembly was 1.08. The experiments were performed under the following conditions: axial bulk velocity, 1.5 m/s and heat flux, 26 kW/m<SUP>2</SUP>. With regard to the circumferential temperature distribution, the lowest rod-wall temperatures upstream and downstream were measured at the subchannel center and the position toward the tip of twist-vane, respectively. With regard to the axial temperature distribution, behind the twist-vane spacer grid, the rod-wall temperature decreased drastically, and the Nusselt number was enhanced by up to 56 %. The present measured data indicate that the twist-vane spacer grid can effectively improve the forced convection heat transfer in the dual-cooled annular fuel assembly with narrow gaps.

수평원형관내 나노유체의 혼합대류에 관한 수치적 연구

최훈기,임윤승 중소기업융합학회 2019 융합정보논문지 Vol.9 No.8

Laminar mixed convection of a nanofluid consists of water and Al2O3 in a horizontal circular tube has been studied numerically. Two-phase mixture model has been used to investigate hydrodynamic and thermal behaviors of the nanofluid with variables physical properties. Three dimensional Navier-Stokes, energy and volume fraction equations have been discretized using the finite volume method. The Brownian motions of nanoparticles have been considered to determine the thermal conductivity and dynamic viscosity of Al2O3-Water nanofluid, which depend on temperature. The calculated results show good agreement with the previous numerical data. Results show that in a given Reynolds number (Re), increasing solid nanoparticles volume fraction and Richardson number (Ri) increases the convective heat transfer coefficient and wall shear stress. 수평원형관에서 나노입자인 산화알미늄과 기본유체인 물의 혼합인 나노유체에 대한 층류 혼합대류열전달현상을 유한체적법의 수치적 방법으로 규명하였다. 나노유체에 대하여 2상 혼합모델을 적용하였으며, 나노입자의 물성은 온도와 체적농도의 함수를 사용하였다. 수치해석에 적용한 모든 모델의 타당성 검증을 위하여 Kim등의 실험결과와 비교하였으며 좋은 결과를 얻었다. 벽면을 일정한 열유속으로 가열하므로 나노유체는 벽면부근에서 형성된 부력에 의하여 2차유동이 생성된다. Richardson수와 나노입자의 농도가 증가할수록 강한 2차유동이 형성되어 열전달을 향상시키게 된다. 또한 Richardson수와 나노입자의 농도가 증가하면 대류열전달계수와 전단응력도 증가한다. 이런 연구들은 열교환기의 성능향상을 위하여 나노유체를 적용하는데 기본자료로 활용이 가능하다. 이번 연구를 기반으로 향후 2중관형열교환기등 다양한 열교환기에 적용할 예정이다.

혼합대류에 의한 구 주위의 충류유동 및 열전달 해석

이준식,김택영 대한기계학회 1987 대한기계학회논문집 Vol.11 No.2

An analysis is performed to study flow and heat transfer characteristics of mixed free and forced convection about a sphere. Nonsimilar boundary layer equations which are valid over the entire regime of mixed convection are derived in terms of the mixed convection parameter, Gr/Re$^{2}$, through a dimensional analysis. The transformed conservation equations are solved by a finite difference method for the whole range of mixed convection regime. Numerical results for fluids having the Prandtl number 0.7 and 7 are presented. As the mixed convection parameter increases, the local friction coefficient and local heat transfer coefficient increases as well. For small Prandtl number, the friction coefficient is larger, while for large Prandtl number, the heat transfer coefficient is larger. Natural convection effect on the forced flow is more sensitive for small Prandtl number fluid. Flow separation migrates rearward as an increase in the mixed convection parameter. For small Prandtl number, the buoyancy effect is relatively small so that the flow separation occurs earlier. 본 연구에서는 구 주위의 혼합대류에 대하여 전 영역에 걸쳐 유효한 매개변수 를 차원해석에 의해 유도하고 이를 적용하여 지배방정식을 비상사 경계층 방정식의 형 태로 변환하고 이를 유한차분법에 의해 수치적으로 해석하였다. 단순 강제대류에서 부터 단순 자연대류 까지의 전 영역에 걸쳐 구 주위의 속도 및 온도분포,국소열전달계 수 및 마찰계수를 Gr/Re$^{2}$의 함수로 구하였으며 Prandtl수가 0.7과 7인 유체에 대 하여 계산을 수행함으로써 Prandtl수의 변화에 따른 강제대류 및 자연대류의 비교강도 의 영향에 대하여 고찰하였다. 자연대류의 영향에 의한 벽면에서의 운동에너지증가 에 따른 유동의 박리점 이동에 대하여도 고찰하였다.

사각 실린더의 종횡비가 Lid-driven 사각 밀폐계의 혼합 대류에 미치는 영향

이현욱(Hyeon Uk Lee),서영민(Young Min Seo),하만영(Man Yeong Ha) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.6

본 연구에서는 내부에 고온의 사각 실린더가 위치한 저온의 사각 밀폐계에서 실린더의 종횡비 변화에 따른 밀폐계 내부의 혼합 대류 현상에 대한 수치 해석을 수행하였다. Reynolds 수는 100, 500 및 1,000으로 고려되었으며, Grashof 수와 Prandtl 수는 각각 10<SUP>5</SUP>과 0.7로 고정되었다. 주요 시뮬레이션 파라미터인 종횡비는 0.25, 0.50, 1.00, 2.00 및 4.00로 변화되었다. 본 연구에서는 실린더 종횡비의 변화에 대해열 유동장 및 열전달 특성이 각각 분석되었다. 결과적으로, Reynolds 수가 100과 500인 경우 종횡비가 4.00일 때 밀폐계 벽면의 평균 Nusselt 수가 가장 크게 나타났으며, Reynodls 수가 1,000인 경우 종횡비가 0.25일 때 평균 Nusselt 수가 가장 크게 나타났다. 그러므로 사각 실린더의 종횡비 변화가 밀폐계 내부의 혼합 대류에 의한 열전달 특성에 큰 영향을 끼쳤다. This study numerically investigated the two-dimensional mixed convection in a cold lid-driven enclosure with different aspect ratio of a hot rectangular cylinder. The Reynolds numbers were considered 100, 500 and 1,000, and the Grashof number and Prandtl number were fixed at 10<SUP>5</SUP> and 0.7, respectively. The aspect ratio was changed by 0.25, 0.50, 1.00, 2.00 and 4.00, as a main simulation parameter. The flow and thermal structures and the heat transfer characteristics were investigated in regard to the effects of variation in aspect ratio of cylinder in the present study, respectively. As a result, at the Reynolds number of 100 and 500, the average Nusselt number on the wall of the enclosure is the largest on AR = 4.00, while at the Reynolds number of 1,000, the average Nusselt number is the largest on AR = 0.25. Thus, the variation in aspect ratio has a remarkable influence on the heat transfer characteristics on mixed convection.

난류흐름의 화학적 동역학 모델 (TKM) 개발: 대류경계층 내의 NO_x-O₃ 단순 광화학 기작에 대한 난류혼합의 영향 연구

김미숙 ( Mi-sug Kim ) 한국환경기술학회 2017 한국환경기술학회지 Vol.18 No.2

많은 환경모델에서는 물질의 이송 또는 확산현상에서의 난류의 영향을 잘 묘사하면서도 보통 2 개의 반응물질에 대한 화학반응속도에서는 난류의 영향이 무시된 평균값만을 표기한다. 본 연구에서는 난류의 영향이 고려된 비선형의 2차 화학반응속도로 표현된 1차원 수직 난류흐름의 화학적 동역학 모델(1-D TKM)을 개발하였으며 그 첫 번째 적용사례를 제시하였다. 연구목적은 한 낮에 형성되는 대기의 대류혼합층(CBL) 내에서 상호작용하는 두 물질(지표에서 배출되는 물질 A와 대류혼합층의 상부로부터 유입되는 물질 B)간의 불완전 혼합과정을 정량적으로 설명하는 것으로 비균질의 CBL내에서 두 물질간의 하향식-상향식 확산에 대한 시뮬레이션을 수행하고 기존의 다른 모델형식과 비교하였다. 완전혼합을 가정하는 CBL에서 난류의 영향은 거의 무시될 수 있었으나 하층부와 상층부에서는 분리의 영향과 유입농도는 화학적 특성에 매우 민감하였으며 물리적 특성과 수치해석에는 덜 민감하였다. 반응속도 상수에 가장 민감한 인자로는 분리영향이며 상부의 유입농도의 영향은 매우 작았고 지표의 배출인자의 민감도는 그 특성에 따라 다양하게 나타났다. Numerous environmental models well describe turbulent effects on transport and dispersion phenomena. However, a chemical reaction rate between two species uses an only mean value ignored the turbulent effect. This study aims at developing a simple one-dimensional model to quantitatively account for turbulence-induced incomplete mixing of two interacting chemical species. Top-down and bottom-up(TDBU) diffusion of two reactive species in an inhomogeneous convective boundary layer(CBL) are simulated by means of 1-D vertical turbulent chemical kinetics model(TKM). The model incorporates an asymmetric convective model(ACM) scheme and a concentration field splitting method(CSM) using a phenomenal extent of reaction. The derived governing equations are integrated using forward finite differences. The TKM is applied to both irreversible and reversible reactions between ozone and nitric oxide in the summer daytime convective atmospheric boundary layer. Results, in the form of vertical profiles of reactants concentrations and intensities of segregation in the convective boundary layer show that for both the irreversible and reversible reactions, segregation is significant near the boundaries where the reactants sources are located. Segregation for the irreversible reaction is everywhere larger than for the reversible reaction because the photolysis of NO₂ tends to increase the NO concentrations while the covariances of the reacting species remain relatively constant. Comparison of the reactant concentrations from the TKM to a conventional kinetic model(CKM) that ignores effects of segregation reveals consistency in that everywhere in the CBL the TKM results lie between a no-reaction case and the CKM results.

원형 실린더를 포함한 Lid-driven 캐비티 내의 혼합대류에 관한 수치적 연구

정광봉(Guangfeng Zheng),윤현식(Hyun Sik Yoon),하만영(Man Yeong Ha),박용갑(Yong Gap Park) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.5

내부에 원형 실린더가 들어있는 Lid-driven 캐비티 내의 혼합대류에 대한 2차원에서의 수치적 연구를 진행하였다. 본 연구에서 유한체적법에 기초한 가상 경계기법(Immersed Boundary Method)을 이용하여 Gr 수를 10?으로 고정하고 서로 다른 3 가지 Ri 수 10, 0.4 및 0.1 의 범위에서 혼합대류 현상에 대해 연구를 수행하였다. 원형 실린더의 크기와 위치를 변화시키면서 원형 실린더가 캐비티 내의 유동 및 열전달에 미치는 영향을 세부적으로 연구하였다. 연구 결과 캐비티 내의 유동은 원형 실린더의 크기의 변화에 영향이 작았지만 크기가 커질수록 벽면 평균 Nu 값이 더 크고 캐비티 내부 유동과 열전달이 원형 실린더의 위치변화에 강한 영향을 받는 것을 발견하였다. Two-dimensional numerical simulations were carried out for the mixed convection in the lid-driven cavity with the inner circular cylinder at three different Richadson numbers of 0.1, 0.4 and 10 under the fixed Grashof number of 10?. The immersed boundary method based on the finite volume method was adopted in order to model the boundary of the circular cylinder in the cavity. The effects of the location and size of the inner circular cylinder on the flow and heat transfer in the cavity were carefully investigated in the present study. as a result, the mean Nusselt number is found to increase with the radius of the inner circular cylinder increasing, but the flow fields have nearly no change, and the flow and heat transfer are strongly affected from the changing of the location of the inner circular cylinder.

수평증발관내 R22/R114 혼합냉매의 열전달 특성에 관한 연구

윤치한,이종인,하옥남 대한설비공학회 2000 설비공학 논문집 Vol.12 No.5

Evaporation heat transfer characteristics were studied in a horizontal tube using R22/R114 non-azotropic refrigerant mixture. the heat transfer coefficient was high in the upper part for pure refrigerants, and heat transfer coefficient was low in the lower part for refrigerant mixtures. In the low quality region where nucleate boiling was dominant, the average heat transfer coefficient was low. In the region where forced convection was dominant, heat transfer coefficient was high. Results show that the heat transfer coefficient for pure refrigerants obtained by experiments were lower than those of Yoshida et al. but agreed well with Jung et al., and Chen et al. data. But the heat transfer coefficients for refrigerant mixtures were lower about 20% than those predicted by the equation for pure refrigerant.

동시 회전하는 수평 실린더 내 환상공간에서의 혼합대류

이관수,김양현,임광옥,Lee, Gwan-Su,Kim, Yang-Hyeon,Im, Gwang-Ok 대한기계학회 2002 大韓機械學會論文集B Vol.26 No.4

Numerical analysis has been carried out for two-dimensional steady and unsteady mixed convection in the annulus between co-rotating horizontal cylinders with a heated inner cylinder. The ratio of annulus gap($\sigma$) is taken from 1 to 10 and the order of mixed-convection parameter B(=Gr/(1+Re)$^2$) varies from 10$^4$to $10^0$. The flow patterns over this parameter range are steady multicellular, oscillatory multicellular or steady unicellular. The addition of co-rotating of both cylinders stabilizes the flow in the annulus and weakens the unsteadiness. Even in the large values of rotating parameter such as of $10^0$/($\sigma$=2) and 10$^2$($\sigma$=10), the flow pattern becomes asymptotic to the steady unicellular flow, like as in the rigid-body rotating flow.

전자장비 채널에서의 혼합대류에 관한 연구

이재헌,남평우,박상동,조성환 대한기계학회 1989 대한기계학회논문집 Vol.13 No.4

본 연구에서는 기판의 양면에 부품이 SMT방법으로 탑재되어 있는 경우에 기판사이에 형성되는 유동채널에서의 열전달 및 유동특성을 연구하였다. Numerical analysis by SIMPLE algorithm has been performed to predict the characteristics of flow and heat transfer in channels between the printed circuit boards of an electronic cabinet. It is assumed that the electronic parts release uniform heat flux per unit axial length to the cooling air. The air flow between channels is assumed fully developed laminar, incompressible, and mixed convective. In this study, the electronic parts are mounted on both sides of the prinked circuit boards by two kinds of configuration such as the zig-zag and the symmetric one. The Rayleigh numbers ranging from 0 to 10$^{6}$ are considered to predict the characteristics of the main flow and the secondary flow occurred by natural convection, the temperature distribution in channel, the heat transfer rate from heated electronic parts and the increase of friction factor by natural convection. As the results of numerical calculation, several conclusions are drawn as follows. The influence of natural convection on the flow characteristics appears strong when the Rayleigh number is above 10$^{4}$. The main axial flow rate decreases by a half or more at the Rayleigh number of 10$^{6}$ . Although the friction factor increases as Rayleigh number increases, the increasing rate of heat transfer is higher than that of the friction factor. The cooling efficiency of the zig-zig-configuration is superior to that of the symmetric configuration at same Rayleigh number.