옵셋 스트립 휜의 압력강하 및 열전달 특성

Abstract

본 연구에서는 옵셋 스트립 휜의 최적 설계를 위하여 옵셋 스트립 휜의 진동 유동 특성을 분석하고 이를 이용하여 다양한 형상 및 작동 유체 변화에 따른 옵셋 스트립 휜 상관식을 제안하였다. 또한 제안된 상관식을 이용하여 열교환기에 설치될 옵셋 스트립 휜에 대해 최적 설계하였다. 옵셋 스트립 휜은 기하학적 형상에 의해 열전달 면적을 늘려 열교환기의 면적 밀집도를 증가시키고 각 열마다 열경계층을 새로 생성하여 열전달량을 증가시킨다. 그러나 옵셋 스트립 휜의 설치는 과다한 면적 밀집도의 증가로 인해 열교환기 내 압력강하를 증가시키므로 옵셋 스트립 휜에서는 열전달 특성뿐만 아니라 압력강하 특성, 즉 열 및 유동 특성에 대한 분석이 요구된다. 옵셋 스트립 휜은 천이 영역 이후에서 진동 유동 특성을 보이며, 이런 진동 유동은 옵셋 스트립 휜에서의 압력강하와 열전달량을 증가시킨다. 층류 영역에서는 유동이 진동하지 않고 정상 해석과 비정상 해석의 friction factor f 와 Colburn factor j 의 값이 일치하였으나, 천이 영역과 난류 영역에서는 유체가 shedding frequency에 따라 주기적으로 진동하고 정상 해석과 비정상 해석의 f 와 j 값이 큰 차이를 보였다. 따라서 진동 유동은 정상 해석이 아닌 비정상 수치 해석을 수행해야 한다. 그러나 이는 매우 비효율적이므로 난류 모델을 이용한 정상 해석 가능성이 검토되었으며, SST k-ω 난류 모델을 사용한 정상 해석이 비정상 해석의 결과를 잘 모사하였다. 옵셋 스트립 휜의 형상과 작동유체 변화에 따른 상관식을 제안하였다. 기존상관식이 막음비 20% 이하에서만 적용할 수 있었기 때문에 막음비를 새롭게 정의하고 막음비가 20 ~ 35% 이상의 옵셋 스트립 휜에 적용 가능한 상관식을 제안하였다. 또한 작동유체를 공기이외에 물, 50%에틸렌글리콜 수용액, 디젤 등을 이용하여 해석을 수행하고, Colburn j factror에 Prandtl수를 추가하여 새로운 상관식을 제안하였다. 따라서 옵셋 스트립 휜의 다양한 형상 변화와 Prandtl 수는 0.5~50, 막음비는 5 ~ 35%까지 가능하며, 층류, 천이 및 난류 영역 모두 적용할 수 있는 일반화된 옵셋 스트립 휜의 j 와 f 상관식을 제안하였다. 제안된 상관식과 실험계획법을 통해 연료 냉각기에 설치될 옵셋 스트립 휜에 대한 최적 설계를 수행하였다. 실험 계획법을 이용한 최적 설계에서는 반응 표면법에 비해 Kriging 법을 사용했을 때 더 높은 성능의 휜 형상을 제시하였다. 상관식을 이용한 최적 설계가 실험 계획법을 이용했을 때보다 더 높은 성능의 휜 형상을 제시하였으며, 이는 기존 옵셋 스트립 휜에 비해 JF 지수는 약 24% 증가하였다.; A numerical study is presented to investigate the characteristics of pressure drop and heat transfer in an oscillatory flow through offset-strip fins. Using these results, new correlations applicable to fins with various geometries and working fluids are determined and design parameters of offset-strip fin are optimized. Offset-strip fins enhance heat transfer rate by increasing area density(enlarging the surface) and regenerating thermal boundary layer at each column resulting from the repetitive geometry. However, since the repetitive geometry of offset-strip fins also induce a large pressure drop between the inlet and outlet of a heat exchanger, the characteristics of heat transfer and pressure drop of offset-strip fins must be investigated A flow through offset-strip fins has the characteristics of a self-sustained oscillatory flow in transition and turbulent regime. And this oscillatory flow increases the pressure drop and heat transfer rate. In the laminar regime, the flow cannot exhibit any oscillatory motion, and the values of the friction factor f and Colburn j factor of the steady simulation are almost equal to those of the unsteady simulation. Therefore oscillatory flow must be analysed by unsteady simulation, not by steady simulation. Since this is too computationally expensive, we conducted a steady simulation with a turbulence model and compared the results with those obtained from a 3-D unsteady simulation. The SST k-ω turbulence model is able to accurately and efficiently predict the f and j values from the unsteady results. General correlations of offset-strip fins were derived from various geometries and working fluids. Since previous correlations could be applied to offset-strip fins with blockage ratios less than 20%, blockage ratio is newly defined and the correlations for offset-strip fins with blockage ratios greater than 20% are determined. Furthermore, various working fluids are considered, i.e. air (Pr = 0.72), water (1 ≤ Pr ≤ 9), 50% ethylene glycol and water (10 ≤ Pr ≤ 30), and diesel (30 ≤ Pr ≤ 50). New j correlations are suggested as functions of Prandtl number. Therefore, general correlations for various fin geometries are suggested in the laminar, transition, and turbulent regimes and can be applied in wide ranges of blockage ratios and Prandtl numbers, i.e. 5 ≤ β ≤ 35% and 0.72 ≤ Pr ≤ 50. The design parameters of the offset-strip fins in a diesel cooler are optimized by the present correlations and design of experiment. In design of experiment, the results obtained by Kriging shows higher performance compared to the results by response surface method. Especially, the performance of offset-strip fin by the present correlations is higher than that of the fin obtained by design of experiment. JF factor of the optimized offset-strip fin is enhanced by 24%, compared to the reference offset-strip fin.