Numerical Analysis on the Effects of Supply Channel and Jet Hole Arrangement on Heat Flow Characteristics of Impingement Jet

Vol. 20, No. 4, pp. 77-86, 2016

1. 서 론

가스터빈 엔진의 고온부인 터빈 블레이드나 Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2016.20.4.077

충돌제트에서의 유량공급 채널 및 제트 홀 배열에 따른 열유동 특성 수치해석

황병조

․ 정희윤

․ 주원구

․ 조형희

Numerical Analysis on the Effects of Supply Channel and Jet Hole Arrangement on Heat Flow Characteristics of

Impingement Jet

Byeong Jo Hwang

․ Heeyoon Chung

․ Won Gu Joo

․ Hyung Hee Cho

a

Department of Mechanical Engineering, Yonsei University, Korea

*

Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

A numerical analysis is performed to investigate the effect of a supply channel and jet hole arrangement on the heat flow characteristics of impingement jet. The jet holes in a supply channel are composed of a single or staggered array from the center of a leading edge channel. The software ICEMCFD is used to generate the structured grids for calculation domain and a CFD code CFX 15.0 to perform the simulation. The present solutions are validated by comparison with the experimental and numerical ones of others. A comparison of mass flow rates of impingement jets and Nusselt numbers on the impingement surface for the single or staggered arrays is made.

초 록

유량공급 채널 및 제트 홀 배열이 충돌제트의 열유동 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 수치해 석을 수행하였다. 유량공급 채널 내에 있는 제트 홀은 전연면 채널의 중심축으로부터 일열 또는 엇갈 림 배열로 되어 있다. ICEMCFD 소프트웨어를 사용하여 해석영역을 정렬 격자로 모델링하였으며, 수치 해석은 CFD 코드인 CFX 15.0으로 수행하였다. 본 해석 결과의 타당성은 타 연구자들의 실험 및 수치 해석 결과와의 비교를 통해 검증하였다. 일열 또는 엇갈림 배열인 경우에 충돌 제트의 질량유량 및 충 돌면에서의 Nusselt 수 분포에 대해 비교 분석하였다.

Key Words: Impingement Jet(충돌제트), Supply Channel(공급 채널), Leading-edge Channel(전연면 채널), Single Array(일열 배열), Staggered Array(엇갈림 배열)

Received 30 May 2016 / Revised 5 July 2016 / Accepted 11 July 2016 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548

[이 논문은 한국추진공학회 2016년도 춘계학술대회(2016. 5. 25-27, 제주 샤인빌리조트) 발표논문을 심사하여 수정 ^・ 보완한 것임.]

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베인, 연소실 라이너 등을 냉각시키기 위한 대표 적인 냉각 방법으로는 요철설치 내부관 대류냉 각, 막냉각, 충돌제트 냉각 등이 있다. 충돌제트 냉각은 냉각 공기의 흐름을 일련의 구멍을 통하 여 터빈 블레이드 내부 벽에 충돌시켜 블레이드 로부터 열을 흡수하는 방식이다. 충돌제트는 요 구되는 부위에 국소적으로 높은 열전달 효과를 얻을 수 있기 때문에 일반적인 대류냉각 보다 더 효율적인 냉각 방식이다. 터빈 정익(Stator)이 나 동익(Rotor)의 전연면(Leading Edge)과 같이 열부하가 크게 작용하고 공간이 제한된 부분에 주로 사용된다. 전연면을 충돌제트로 냉각시킨 공기는 내부 관을 통과하면서 내벽을 대류냉각 시킨다. 또한 열부하 정도에 따라 압력면 (Pressure Side)과 흡입면(Suction Side)의 적당한 위치를 충돌제트를 사용하여 냉각하고 있다. 제 트가 벽에 충돌하는 충돌제트의 유동을 보면, 벽 의 존재에 영향을 받지 않는 자유제트 영역(Free Jet Region), 제트가 충돌하여 정체유동을 형성하 는 정체 영역(Stagnation Region), 충돌된 제트가 벽을 따라 흐르며 발달되는 벽제트 영역(Wall Jet Region)이 존재한다.

충돌제트는 그 효용성 때문에 그 동안 국내·

외에서 많은 연구가 진행되어 왔다[1-5]. 지난 20-30년 동안 제트 노즐과 판 사이의 간격, 제트 노즐의 모양, 충돌면의 곡률, 배열제트(Array Jet)에서의 제트 사이의 간격 및 배열 방법 등 유동 및 열전달 특성에 관한 연구가 진행되었다.

하지만 충돌면 부근의 복잡한 3차원 난류유동 현상 및 열전달 특성으로 인해 정확한 유동 및 열전달 해석을 보여주지 못하고 있다. 본 연구와 유사한 오목 충돌면에서의 충돌제트 냉각에 대 한 근래의 연구동향을 살펴보면, Zhao 등[6]은 충돌면이 Semi-Circle과 Curved-Circle인 경우에 충돌면 형상에 따른 Nusselt 수의 차이 및 횡방 향 유동(Cross-Flow) 영향을 줄이기 위해 설치한 Guide Wall의 효과를 수치해석을 통해 분석하였 다. Liu 등[7]은 GE-E

엔진의 고압 터빈 1단 동 익 블레이드 형상에 대해 제트 홀을 블레이드 중심으로부터 압력면으로 이동에 따른 영향 및 Reynolds 수 변화에 따른 열전달 영향을 분석하

였다. 그러나 상기 2개 논문은 제트 홀로 냉각유 량을 공급하는 채널을 무시하고 각 제트 홀에 동일한 질량유량 또는 제트 홀별로 점차적으로 변하는 질량유량을 입력 값으로 주고 수치해석 을 수행하였다. Yang 등[8]은 유량공급 채널은 고려하였으나 일열 제트에 대해 Reynolds 수 변 화에 따른 Nusselt 수 및 횡방향 유동에 의한 충 돌면에서의 최대 열전달 위치 변화 등을 연구하 였다. 상기 논문들은 제트 홀을 충돌면 중심 축 방향으로 일열로 배열하였으나, Facchini 등[9]은 제트 홀이 엇갈린 2열로 배열한 경우에 TLC (Thermochromic Liquid Crystals)를 이용한 실험 연구를 통해 Spanwise 및 Streamwise 방향으로 제트 홀 간격 변화에 따른 Nusselt 수 변화를 관 찰하였다. 또한 Jung 등[10]은 제트 홀이 엇갈린 3열로 배열된 오목 분사판(Concave Injection Plate)으로부터 충돌면에 수직 또는 경사각도로 분사되는 경우에 나프탈렌 승화법(Naphthalene Sublimation Method)으로 충돌면에서의 열전달 계수를 구하고, Reynolds 수(3,000~10,000) 및 분 사각도에 따른 영향을 분석하였다.

지금까지 터빈 블레이드 전연면에서의 충돌제 트 열전달(냉각) 특성 연구는 유량공급 채널 및 제트 홀 배열에 따른 상호 비교 영향에 대해 충 분히 이루어지지 않은 상태이다. 따라서 본 연구 에서는 충돌제트에서의 유량공급 채널의 유,무 및 제트 홀 배열에 따른 각 제트 홀의 질량유량 변화를 분석하였으며, 또한 제트 홀이 충돌면 중 심으로부터 채널 축방향으로 일열 또는 엇갈린 2열로 배열된 경우에 유동 및 열전달 특성을 비 교하였다.

2. 수치해석 모델링

2.1 해석 모델

본 연구에서는 가스터빈 엔진의 터빈 전연면

에서의 충돌제트에 의한 열전달 특성을 수치해

석하기 위하여 Fig. 1과 같은 모델을 선정하였

다. 냉각 공기는 유량공급 채널의 좌측(Hub)으

로 들어간 후 분사판(Injection Plate)에 있는 10

열유동 특성 수치해석

Geometry H

/d L/d P/d H

/d D/d

Parameter 5 50 5 1 10

Fig. 1 Leading edge model with a single array injection plate.

(a) Single array

(b) Staggered array

Fig. 2 Schematic diagram of the injection plates.

개의 제트 홀을 통해 전연면 채널로 들어가서 우측(Tip)으로 빠져 나간다. 유량공급 채널(사각 형) 입구로 들어가는 질량유량과 전연면 채널(반 원) 출구로 빠져나가는 질량 유량이 동일하도록 유량공급 채널의 단면 치수(D=100 mm, H

=44

mm)를 정하였다. 해석모델 형상 선정 시 제트 홀 직경 대비 충돌면간의 거리(H

/d)는 중요한 설계변수인데, 유사 논문[5-9]에서 3~6을 적용하 므로 이를 고려하여 H

/d=5로 정하였고, 제트 홀 직경(d)은 3.1항의 수치해 검증 모델과 동일 하게 10 mm를 적용하였다. 그리고 제트 홀 직 경 대비 제트 홀 간의 간격(P/d)도 중요한 설계 변수인데, 유사 논문[5-9]에서 3~6이었으므로 이 를 고려하여 P/d=5로 정하였다. 제트 홀 직경 기준으로 무차원화된 해석 모델의 주요 형상 제 원은 Fig. 1과 같다.

냉각공기의 경우 실제 가스터빈에서는 압축기 를 통과한 고온의 공기가 사용되지만, 열전달해 석/실험에서 주요 무차원 변수인 Nusselt 수는 냉각공기와 충돌면 간의 상대온도를 이용하므로 실험 편의상 상온 또는 이보다 약간 높은 온도 를 적용한다[5-9]. 그러나 Martin 등[11]은 냉각 공기온도 영향을 확인하기 위하여 충돌면과 냉 각공기 간의 온도 차이를 306 K (60°F)부터 828 K (1000°F)까지 5가지에 대해 해석한 결과 Nusselt 수는 거의 동일함을 확인한 바 있다. 따 라서 본 연구에서는 300 K를 적용하였다. 그리 고 전연면 채널 외부에서 충돌면에 가해지는 열 유속은 3.1항의 수치해 검증 모델과 동일하게 2,000 W/m

로 하였다. 분사판에는 Fig. 2에서 보듯이 제트 홀이 충돌면 중심축으로부터 일열 또는 엇갈린 2열로 배열되어 있다.

Reynolds 수는 제트 홀 직경 기준으로 Eq. 1 과 같이 정의된다.

 _{  }



 



    

  

(1)

여기서 

및  

는 각각 제트 홀에서의 평균 속도 및 질량유량이며, 는 제트 홀의 직경이다.

3.1항의 검증 모델은 H

/d=3으로 충돌면의 반 경이 30 mm이었지만 본 논문은 H

/d=5로 충돌 면의 반경이 50 mm로 전연면 채널의 단면적이 상대적으로 커서 유량을 증가시키기 위해 제트 Reynolds 수를 10,000으로 하였다.

무차원수인 Nusselt 수는 다음과 같이 표시된다.

Fig. 3 Mesh distributions of the leading edge model.

 _{  }



  (2)

Eq. 2에서 대류열전달계수()는 다음과 같이 정의된다.

    

 

  

 

 

(3)

여기서   은 벽면 열유속이며, 

및 

는 각각 충돌면 온도와 공기 기준온도(300 K)이다.

2.2 수치계산 방법 및 격자 형상

Fig. 3에서 보듯이 해석 모델의 격자는 ICEMCFD 15.0 소프트웨어를 사용하여 비정렬 격자 보다 CFD 수치해의 정밀도가 우수한 정렬 격자(Structured Grid)로 만들었으며, 또한 제트 홀 부근의 격자 Quality를 높이기 위해 O-type 격자를 사용하였다. 전연면 채널의 충돌면 부근 에서 격자 크기는 충돌면으로부터 10%씩 점차적 으로 증가시키어 격자 크기에 따른 영향을 최대 한 줄였으며, 또한 난류 유동 해석의 정밀도를

높이기 위해 충돌면에서의 y

는 약 0.6을 유지하 였다. 열적 경계조건은 충돌면에서 열유속 2,000 W/m

을, 나머지 면에는 단열조건을 적용하였다.

본 계산에 사용된 컴퓨터는 DELL (PowerEdge R720)사, CPU Intel Xeon E5-2680 v2 @ 2.80 GHz (10 Core, Hyperthread)*2EA, RAM DDR3 1333 16 GB*8EA 이었다. 적당한 노드 수를 선정 하기 위하여 전연면 채널이 있고 제트 홀이 일 열인 경우에 정렬격자의 총 노드 수를 변경하면 서 충돌면의 평균 Nusselt 수 변화 및 계산시간 을 비교하였다. 정렬 격자의 총 노드 수는 유량 공급 채널의 유,무 및 제트 홀의 배열에 따라 약 간 차이는 있었지만 유량공급 채널이 있는 경우 는 약 7백만개, 없는 경우는 약 6.2백만개로 격 자를 구성하였다.

본 해석모델에 대한 수치해석은 상용 CFD 코 드인 CFX 15.0을 사용하여 수행하였으며, 이는 유한체적법(Finite Volume Method)으로 3차원 정상상태 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식을 차분화하여 수치해를 구한다.

운동량 방정식의 Reynolds 응력항에 대한 난류 모델링을 위해 CFX에서 제공하는 RNG   , Standard    (Wilcox’ 1998 Model), SST    등 여러 난류모델을 적용하여 해석 결과를 비교 해 보았다. Zuckerman 등[12]은 충돌제트에 대 해 수치해석 결과, SST   ,   , Algebraic Stress Model 등 7개 난류모델 중에서 SST    모델이 비교적 양호한 결과를 나타내었다. 본 연 구에서도 SST    모델이 충돌면에서의 Nusselt 수 변화 경향을 잘 나타내어 이를 적용 하였다. 입구 난류강도는 CFX에서 제공하는 기 본 값인 5%를 적용했다. 수치해의 수렴을 위해 연속방정식, 운동량 방정식, 에너지방정식 및 난 류방정식의 Residual 오차는 10

이하 및 계산 횟수(Iteration)는 500번 이상 되도록 하였다.

3. 수치해석 결과

3.1 수치해의 타당성 검증

본 수치해의 타당성을 검증하기 위해 Hong

열유동 특성 수치해석

등[13]의 실험치 및 Zhao 등[14]의 수치해와 비 교하였다. 검증용 모델은 Fig. 1과 유사하며, 제 트 홀은 충돌면 중심축으로부터 일열로 5개이고 H

/d=3.0, P/d=3.0 이었다. Fig. 4에서는 제트 홀 바로 밑에 있는 충돌면(Z=0, Y=0)에서 전연 면 채널의 출구쪽으로 이동하면서 Nusselt 수 변 화를 실험 및 수치해석 결과와 비교하였다. 그림 에서 보듯이 충돌제트에서 주로 적용되는 SST

   난류모델이 실험 결과와 전반적으로 서로 유사하지만, 수치해석 결과는 첫 번째 및 두 번 째 제트홀 후방에서 나타나는 2차 정점(peak)이 실험치 보다 낮게 나타났다. 이러한 2차 정점은 제트홀과 충돌면간의 거리(H

/d)가 가까운 경우 에 제트가 벽면에 부딪친 후 난류유동으로 전환 되면서 발생하는데, 참고문헌 1(pp.128-140)에서 보면 충돌면이 평판인 경우에 H

/d=2 이하에서 나타났다. 그러나 실험모델(충돌면 반원, H

/d=3)에서는 2차 정점이 x/d=2와 5 부근에서 비교적 크게 나타났는데, 이는 충돌면의 형상에 따른 차이(평판, 반원)를 고려하더라도 실험 오 차가 일부 포함되어 있는 것으로 사료된다. 본 논문의 해석모델은 H

/d=5로 실험모델(H

/d=3) 보다 제트홀과 충돌면간의 거리가 커서 2차 정 점이 거의 나타나지 않는 형상이고, 유사 논문 [6-8]에서 주로 사용하는 충돌제트에 적당한 난 류모델인 SST k-w를 적용하므로 본 논문의 수치 해석 결과는 비교적 적절할 것으로 사료된다.

Fig. 4 Comparison of the calculated Nusselt Numbers with other’s results for Re=5,000.

3.2 유량공급 채널이 제트 홀의 질량유량에 미치는 영향 Fig. 5는 유량공급 채널의 유,무 및 제트 홀이 일열 또는 엇갈림 배열인 경우에 제트 홀에서의 면적 평균된 질량유량을 보여준다. 유량공급 채 널이 없는 경우에 각 제트 홀의 질량유량은 1.44 g/s (Re=10,000)이며, 채널이 있는 경우에는 일 열 또는 엇갈림 배열인 경우에 각 제트 홀로 들 어가는 전체 질량유량의 평균치는 같았으나, 제 트 홀이 채널 입구로부터 멀어질수록(X 방향으 로 갈수록) 즉, 제트 홀 번호가 증가할수록 질량 유량이 증가하였다. 이는 Fig. 6 (유량공급 채널 바닥으로부터 3 mm떨어진 Y/d=6.3에서 X-Z 및 X-Y 평면의 속도분포)에서 보듯이 유량공급 채 널 입구로 들어간 공기가 채널을 지나면서 X 방 향 속도가 떨어지고 정체하므로 인해 채널 입구 에서 멀어질수록 제트 홀로 들어가는 Y 방향 속 도가 더 빨라지기 때문이다. 제트 홀이 엇갈림 배열인 경우에는 일열 배열인 경우보다 유량공 급 채널 입구에 가까운 1-5번 제트 홀에서 질량 유량이 적었고 채널 맞은편 벽면에 가까운 7-10 번 제트 홀에서 질량유량이 약간 더 많았다.

Fig. 7과 Fig. 8은 각각 2번째와 9번째 홀 중심 위치에서 일열 배열과 엇갈림 배열의 속도 분포 를 보여주며, 제트 홀 사이 간격뿐만 아니라 벽 면과 제트 홀 간격 차이로 인해 전연면 채널에 서 유동 특성이 서로 상이함을 볼 수 있다.

Taslim 등[15]의 연구결과를 보면 제트 홀의 질

Fig. 5 Variations of mass flow rates of each jet hole

at the injection plates of single or staggered

array.

량 유량 분포는 유량공급 채널과 전연면 채널의 유동 방향에 따라 차이가 있었다. 본 논문과 같 이 유량공급 채널과 전연면 채널에서 냉각공기 방향이 같은 경우(Cross Flow)에는 유량공급 채 널 입구에서부터 분사 홀이 멀어질수록 질량유 량이 증가하였지만, 전연면 채널의 출구가 반대 가 되어 유량공급 채널과 전연면 채널에서 냉각 공기 방향이 다른 경우(Circular Flow)에는 유량 공급 채널 입구에서부터 분사 홀이 멀어질수록 질량유량이 감소하였다. 따라서 제트 홀의 질량 유량은 제트 홀의 배열뿐만 아니라 채널 내에서 냉각공기의 유동방향에 따라 변화하므로 유량공 급 채널을 고려하여 해석하는 것이 바람직하다.

3.3 제트 홀 배열에 따른 충돌면 열전달 특성

Fig. 9는 유량공급 채널에 제트 홀이 일열 또는 엇갈림으로 배열된 경우에 충돌면에서 Nusselt 수의 분포를 보여준다. 그림에서 보듯이 냉각 공

(a) Single array

(b) Staggered array

Fig. 6 Velocity vectors in the supply channel at y/d=6.3.

기가 분사되는 제트 홀의 바로 밑에서 충돌면의 Nusselt 수가 인접면 보다 높게 나타남을 볼 수 있다. 제트 홀이 일열 배열인 경우에는 Fig. 9(a) 에서 보듯이 좌측으로부터 두번째 홀에서 최대 가 되고 냉각 공기가 제트 홀 후방(전연면 채널 출구)으로 갈수록 Fig. 5에서 보듯이 질량유량이 증가함에도 불구하고 충돌면의 Nusselt 수는 감 소하였다. 이는 전연면 채널 출구로 갈수록 횡방 향 유동 영향이 점차적으로 증가하여 제트 홀에 서 빠져 나온 냉각 공기가 충돌면까지 가는 것 을 방해하여 생긴 현상으로 사료된다. Fig. 9(b) 에서 보듯이 제트 홀이 엇갈림 배열인 경우에는 유량공급 채널 입구에 인접한 첫 번째 제트 홀 부근에서 Nusselt 수가 가장 높고 일열 배열인

(a) Single array (b) Staggered array Fig. 7 Velocity Vectors at the 2

hole section(X/d= 0.75).

(a) Single Array (b) Staggered Array

Fig. 8 Velocity Vectors at the 9

hole section (X/d=4.25).

열유동 특성 수치해석

경우와 동일하게 제트 홀 후방(전연면 채널 출 구)으로 갈수록 감소하였다.

충돌면에서 Nusselt 수 분포를 Spanwise 또는 Streamwise 방향으로 평균한 Nusselt 수를 Fig.

10에 나타내었다. Fig. 10(a)에서 Spanwise 방향 으로 평균된 Nusselt 수를 보면 제트 홀이 일열 배열인 경우에는 최대 Nusselt 수는 1번부터 3번 제트 홀까지 증가하여 최대 약 33까지 올라갔다 가 그 이후에는 점차적으로 감소하는 경향을 보 여준다. 그러나 엇갈림 배열인 경우에는 1번 제 트 홀에서 Nusselt 수가 최대(약 33)로 되었다가 제트 홀 후방으로 갈수록 최대 Nusselt 수는 일 열 배열인 경우 보다 급격히 감소하였다. 이러한 차이는 제트 홀 배열에 따라 전연면 채널 내부 에서 서로 다른 복잡한 3차원 유동 현상으로 인 해 발생한 것으로 사료된다. Fig. 10(b)에서 Streamwise 방향으로 평균된 Nusselt 수를 보면 제트 홀이 일열 배열인 경우에는 제트 홀이 위 치한 충돌면 중심(Z=0)에서 최대(약 50)가 되고 양쪽 측면으로 갈수록 점차적으로 감소하여 약 10이 되었으며, Nusselt 수의 분포는 대칭축 (Z=0)을 중심으로 양쪽에서 동일하였다. Fig.

10(b)에서 엇갈림 배열인 경우에는 Streamwise 방향으로 평균된 Nusselt 수를 보면 제트 홀이 위치한 Z/d=∓2.5에서 최대이고 충돌면 중심

(a) Single array

(b) Staggered array

Fig. 9 Nusselt number contours on the impingement surfaces for Re=10,000.

(Z=0)으로 갈수록 약간 감소하며, 또한 양쪽 벽 면(Z=∓5)으로 갈수록 점차적으로 감소하여 약 10이 되어 일열 배열인 경우와 Nusselt 수는 같 았다. 엇갈림 배열인 경우에 Z/d=2.5 보다 –2.5 에서 약간 높은 값을 갖는 것은 전연면 채널내 에서 복잡한 3차원 유동 특성으로 인해 Fig. 9(b) 에서 알 수 있듯이 충돌면 중심 축(Z=0) 기준으 로 양쪽의 Nusselt 수가 약간 비대칭이어서 생긴 현상으로 사료된다.

Fig. 11은 일열 배열인 경우에 Z/d=0(전연면 채널의 가운데 대칭 단면)에서 속도벡터와 유선 을 보여준다. 유량공급 채널에서 공기의 유선을 보면 1-8번 홀까지는 제트 홀의 공기가 유량공급

(a) Spanwise-averaged nusselt number

(b) Streamwise-averaged nusselt number Fig. 10 Nusselt number distributions on the

impingement surfaces for Re=10,000.

채널 입구로 부터 바로 들어가지만 채널의 끝단 에 가까운 9-10번 제트 홀은 벽면의 영향을 받아 유선이 좀 다른 양상을 나타내고 있다. 제트 홀 을 통과하여 전연면 채널에 들어간 공기를 보면 제트 홀을 통과한 공기의 유속이 빨라서 수직방 향으로 공기 기둥을 형성함으로 인해 제트 홀 좌측면에 재순환 유동이 존재하고 이는 채널의 출구쪽으로 갈수록 횡방향 유동으로 인해 크기 가 줄어들고 있음을 볼 수 있다.

Fig. 12는 엇갈림 배열인 경우에 제트 홀이 위 치한 Z/d=-2.5 및 Z/d=+2.5에서의 속도벡터와 유선을 보여준다. Fig. 12(a)는 1번, 3번, 5번, 7 번, 9번 제트 홀이 포함된 Z/d=-2.5 단면에서 공 기의 유선을 보여 주는데, 9번 제트 홀에서 유선 은 유량공급 채널의 영향을 받아 다른 제트 홀 과는 좀 다른 양상을 나타내고 있다. 또한 제트 홀을 통과하여 전연면 채널에 들어간 공기를 보

Fig. 11 Contours of velocity vectors and streamlines at Z/d=0 for the single array and Re=10,000.

(a) Z/d=-2.5

(b) Z/d=+2.5

Fig. 12 Contours of velocity vectors and streamlines for staggered array and Re=10,000.

면 1번과 3번 제트 홀 사이에 큰 재순환 유동이 존재함을 볼 수 있다. Fig. 12(b)는 2번, 4번, 6번, 8번, 10번 제트 홀이 포함된 Z/d=+2.5 단면에서 공기의 유선을 보여 주는데, 유량공급 채널 우측 끝단에 작은 재순환 영역이 존재함을 볼 수 있 다. 또한 제트 홀을 통과하여 전연면 채널에 들 어간 공기는 2번 제트 홀 좌측에 큰 재순환 영 역이 존재하고 채널 출구로 갈수록 횡방향 유동 으로 제트 유동의 속도가 우측으로 휘는 것을 볼 수 있다.

Table 1은 제트 홀이 일열 또는 엇갈림 배열 인 경우에 유량공급 채널 입구와 전연면 채널 출구 간의 압력강하 및 충돌면에서 면적 평균된 Nusselt 수를 보여준다. 표에서 보듯이 유량공급 채널 입구와 전연면 채널 출구간의 압력강하는 일열 배열이 엇갈림 배열 보다 1.40% 더 컸다.

이는 제트 홀을 지나 충돌면으로 가는 제트 유 동이 전연면 채널에서 X축 방향 유동(횡방향 유 동)을 방해하게 되는데, 일열 배열은 엇갈림 배 열 보다 제트 홀과 홀 간의 간격이 상대적으로 좁아서 횡방향 유동을 더 방해하며, 또한 Y-Z 평면에서 제트 홀의 위치도 서로 상이하여 9번 홀 단면인 Fig. 8에서 보듯이 일열 배열에서 재 순환 유동이 더 크게 발생하게 된다. 이로 인해 유동 저항이 상대적으로 커서 압력강하가 더 크 게 된 것으로 사료된다. 이러한 유동 특성으로 인해 충돌면에서 면적 평균된 Nusselt 수는 엇갈 림 배열 보다 일열 배열인 경우에 2.27% 더 높 았다.

Item Single Array

Staggered Array Pressure Drop

Between Channel Inlet and Outlet

246.8 Pa 243.4 Pa

Averaged Nusselt Number at Impingement Surface

23.38 22.86 Table 1. Pressure drop and average nusselt number

for the single and staggered arrays.

열유동 특성 수치해석

4. 결 론

충돌제트에서의 유량공급 채널 및 제트 홀 배 열에 따른 열유동 특성을 고찰하기 위해 수치해 석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 유량공급 채널이 있는 경우에는 제트 홀이 전연면 채널 입구로부터 멀어질수록 즉, 채 널 맞은편 끝단에 가까울수록 질량유량은 증 가하였다. 또한 제트 홀이 엇갈림 배열인 경 우는 일열 배열인 경우보다 채널 입구에 가 까운 제트 홀에서 질량유량이 더 적었고 채 널 맞은편 벽면에 가까운 제트 홀에서 질량 유량이 더 많았다.

2) 충돌면에서 Spanwise 방향으로 평균된 Nusselt 수는 제트 홀이 일열 배열인 경우에 는 세번째 제트 홀에서 최대, 엇갈림 배열인 경우에는 첫번째 제트 홀에서 최대가 되었다 가 전연면 채널 출구로 갈수록 횡방향 유동 영향으로 인해 점차적으로 감소하였다. 그리 고 Streamwise 방향으로 평균된 Nusselt 수 는 제트 홀 바로 밑에서 최대이고 양쪽 측면 으로 갈수록 점차적으로 감소하였다.

3) 유량공급 채널 입구와 전연면 채널 출구간의 압력강하는 일열 배열이 엇갈림 배열보다 더 컸지만, 충돌면에서 평균 Nusselt 수는 일열 배열이 엇갈림 배열보다 높았다. 또한 일열 배열은 엇갈림 배열보다 전연면 채널의 길이 방향(X방향)으로 Nusselt 수가 더 균일하였다.

후 기

본 연구는 방위사업청과 국방과학연구소가 지 원하는 국방피탐지감소기술 특화연구센터 사업 의 일환으로 수행되었습니다.

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