곡관 내부 유동에서의 마찰 및 열전달 특성 연구 :An Investigation on Friction and Heat Transfer Characteristics of Curved Pipes under Internal Flow

강성미

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강성미 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김정우

발행연도: 2021

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

곡관 내부 유동에서의 마찰 및 열전달 특성 연구

강성미 기계설계로봇공학과 2021.01 학위논문

2019

곡관 층류 유동에서의 열전달 특성 연구: 2차유동 영향

강성미 , 김정우 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2019.05 학술대회자료

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곡관은 곡률에 의하여 형성되는 2차 유동(secondary flow)으로 인해 직선 튜브보다 높은 열전달 계수를 가져 직관에 비해 열전달 향상과 공간 절약 등의 장점을 가진다.

2장에서는 곡관의 층류 유동을 비압축성, 정상상태 및 층류 유동에서 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 일정 De수에서 Re수와 곡률을 변화시키면서 두 파라미터가 마찰계수와 열전달 계수에 미치는 영향을 국소분포를 분석하였다. 해석한 모든 De수에서 평균 마찰계수는 곡률이 커질 때 증가하고 평균 열전달계수는 곡률이 커질 때 감소하였다. 하지만 De수가 작은 경우(De=4, 8)에서 평균 마찰계수와 평균 열전달계수는 다른 곡률과 동일한 경향성을 보이지만 Local 분포에서는 경향성의 차이를 보였다. 또한, De수가 커질수록 마찰계수와 2차 유동의 상관성이 증가하였다.

3장에서는 곡관 난류 유동을 비압축성, 비정상상태 난류 유동에서 Large Eddy Simulation 방법을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 곡관 관련하여 최근 몇 개의 DNS 연구들이 제시되었지만 데이터가 많지 않아서 열유동 현상을 정확히 이해하기 어려운 측면이 있다. 본 연구에서는 공간적인 분포를 보다 상세히 파악하기 위해 평균과 난류량에 대해 contour를 분석하였다. 또한 기존 연구에서 부족했던 속도와 온도 상사성을 추가적으로 분석하였다. 평균의 경우 축방향 속도와 온도 분포의 상사성이 곡관에서도 유지된다. 반면 섭동량의 관점에서 곡관의 경우 곡률이 0.01에서 0.1로 커질수록 축방향 속도와 온도 분포의 유사성이 깨진다.
다음으로 곡관 난류 열유동 특성을 보다 상세히 보기 위하여 난류량을 평균 값과 국소지점의 값으로 무차원화하여 벽 스케일로 분석하였다. 곡관 바깥쪽 벽면의 난류 강도와 온도 섭동량은 곡관 안쪽 벽면에서의 값과 비교해서 크다. 또한 국소 지점에서의 값으로 벽 스케일 분석을 하면 곡관 바깥쪽의 결과는 직관과 유사한 경향성을 보이는데 반해 곡관의 안쪽은 잘 예측하지 못한다. 이는 곡관 안쪽 난류 발생이 원심력으로 인해 억제됨에 따른 결과이며, 이는 레이놀즈 응력과 난류열유속 데이터를 통해서 확인될 수 있다.

Various curved systems exist in engineering and nature. From a viewpoint of engineering applications, there are two typical research of curved systems: helical coil heat exchangers and pipe bends. Many studies on curved pipes have been done, allowing them become the simplified geometry for helical coiled pipes. This study was conducted on a curved pipe to gain theoretical understanding. It was shown that curved tubes have higher heat transfer coefficients than straight tubes due to the secondary flow formed by curvature. They also have advantages such as heat transfer improvement and space saving over the straight pipe.

In Chapter 2, numerical analysis was performed using the Navier-Stokes equation for the laminar flow of a curved tube at uncompressed, steady-state and laminar flow. We analyzed the local distribution of the effects of Reynolds number and Curvatures. That two parameters on the friction and heat transfer coefficient, varying the Reynolds number and curvature at a constant Dean number. For all the analyzed Dean numbers, the mean friction coefficient increased as the curvature increased. Alternatively, the mean heat transfer coefficient decreased as the curvature increased. However, in the case of a small Dean number (De=4, 8), the mean friction coefficient and mean heat transfer coefficient showed the same tendency as other curvatures, but the difference in propensity was shown in the local distribution. Furthermore, as Dean number increased, the correlation between the friction coefficient and the secondary flow increased.

In Chapter 3, numerical analysis was also performed using the Large Eddy Simulation method for uncompressed, unsteady state and turbulent flow. Several recent DNS studies related to the curved pipe have been done, but some aspects are difficult to understand about the heat flow phenomenon due to a lack of data. To solve this problem, we analyzed the contour for the mean and the amount of turbulence to get a more detailed view of the spatial distribution. Moreover, we further analyzed the velocity and temperature similarities that were lacking in previous studies. We found that for the mean, the correlation between axial velocity and temperature distribution was also maintained in a curved pipe. On the other hand, in terms of RMS, the similarity between axial velocity and temperature distribution did not exist as the curvature increased from 0.01 to 0.1.
In addition, the turbulent flow rate was analyzed on a wall scale by normalization in two ways, the mean value and the value of the local point. This provided a more detailed view of the curved turbulence thermal flow characteristics. The turbulence strength and temperature perturbation of the outer wall of the curved pipe were large compared to the values on the inner wall of the curved pipe. Furthermore, the wall-scale analysis of values at local points showed as similar tendency to straight pipe, while the inside of the curve was poorly predicted. This is the result of inhibiting the occurrence of turbulence in the curve due to centrifugal force, which can be identified by Reynolds stress and turbulent heat flux data.
In this work, we conducted a numerical analysis of frictional studies on the internal flow of curved tubes, which is of great interest in academia and industry. The results of this study may be fundamental to better understanding internal heat flow with curvature. They could also be applied to the design of heat exchangers from an industry perspective.

#곡관 #내부유동 #CFD

요약 ⅰ
표목차 ⅲ
그림목차 ⅲ
기호설명 ⅶ
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 목적 1
2. 문헌 조사 2
Ⅱ. 곡관 층류 유동 4
1. 수치 해석 4
2. 수치 해석 방법 및 경계 조건 6
3. 결과 및 고찰 7
4. 결론 27
Ⅲ. 곡관 난류 유동 28
1. 수치해석 28
2. 수치 해석 방법 및 경계 조건 30
3. 결과 및 고찰 31
4. 결론 61
Ⅳ. 결 론 62
참고문헌 64
Abstract 66

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