KAERI

웰훌릎

환국월짜력연구소창 귀하

븐 보고서률 와류발생기률 사용한 열교환가의 열전달 촉진 연구얘 대한

기슐보고서로 찌훌휠니다.

1996. 5.

참여연구원

주 져 짜 : 01 중 섭

공 동 저 자: 오 팡 석

김선철

김도현

오종필

감수의원 :심우건

요약문

와류에 의한 열교환기의 열전달 촉진 현상용 규명하기 위해 범용 얼유체 해석

프로그댐인 FLUENT 코드를 사용하여 와류발생기가 컬치된 경우와 셀치되지 않온

경우 각각의 원관형 핀-판 열교환기， 납작관형 핀-관 열교환기， 두 판 사이의 유동

과 열천달 륙성에 대해 수치해석을 수행하고 다음과 칼은 결론율 얻었다.

전산해석으로 얻어진 두 핀 사이에서의 열전달계수값과 유동체널에서의 이롤척

열전달껴l수값이 잘 일치하는 것으로 나타녔다. 와류발생기가 껄치된 뀐판형 핀-관

열교환기와 납작판형 핀-관 혈교환기는 와류발생기가 껄치되지 않옴 경우에 비해서

유동방향 와류에 의한 열전달 촉진효과가 뚜렷하게 나타나 열전달계수는 보다 높게

나타났다. 와류발생기가 성치된 원판형 핀-관 열교환기와 와류발생기가 셜치된 납

작판형 핀-관 열교환기를 비교해 보면 원관형 핀-관 열교환기에서 열전달이 보다

크게 나타난 반면 압력손실 또한 크게 나타났다. 열전달 측면만을 고혀할 때는 와

류발생기가 셜치된 원판형 핀-판 열교환기가 바캄칙환 반면 열전달과 압력손실을

모두 고려할 경우에는 와류발생기가 셜치된 납작관형 핀-관 열교환기가 바랍직한

것으로 보얀다. 본 연구결과들은 압력손실융 고려하면셔 열전달을 최대로 하기 위

한 열교환기 셜계의 기초자료로 활용될 수 있으리라 기대한다.

nι

ABSTRACT

A numerical analysis using FLUENT c여e was carried out to investigate

flow characteristics and heat σ하Isfer development of heat exchangers. This

an외ysis modeled cases which are two 뼈rallel fms, 마I-cire버ar tube heat

exchanger and fin-flat tube heat exchanger with and without vortex generator

for each case. The followings are the major conclusions.

The analysis results of the model with two parallel fins were in go여

agreement with the theoretical heat transfer coefficient of flow channel. The

analysis results for both cases of the fm-ciπular tube and the fm-flat tube heat

exchangers with the vortex generator show relatively higher heat σansfer

coefficient than that for both cases of the fm-띠℃띠ar tube and fin-flat tube

heat exchangers without the vortex generator. Also, the analysis result for the

파l-circular tube heat exchanger with the voπex generator has relatively higher

heat transfer coefficient and higher pressure loss than those for the fin-flat tube

heat exchanger with the vortex generator. According to the results when only

the heat transfer coefficient is considered, the fm-circular tube heat exchanger

with the vortex generator is desirable but when both of the heat σansfer

coefficient and the pressure loss are consid강'00 the fin-flat tube heat exch하Iger

with the vortex generator is desirable. The results of this study can be used to

design the heat exchanger with rela디vely low pressure loss and maximum heat

σansfer coefficient

껴3

목 차

제출문 …

요약문 …·“”“”…………………………… •••……••……•.…….•……••……••…….“….“…•.……"……….•………•.……..…….•……•.…….……•.…….•……••……••………••…….“…….“……..……..……..……….•……••……••…….,……••……••…….,……..……..….“.22

ABSTRACT ……•.•.••.••••••••.•••……….••…••••…..•.•••••••..•..•.•••.•••..•.•••… 3

목차 “ “ ……………………………………………………………………•• 4

그립목차 …………………………………………………………………………… 5

기호설명 “ “”“ “ •••.““..•••.•.“ “““““.7

1. 서론 ““.••••.••••••.•..“ •.••“ .

1.1 연구배 경 ……………… 8

1.2 연구동향 “““ 9

1.3 연구내용 및 목적 9

2. 해석모델 ““ ““ “”“““”“ “...... 10

3. 지배방정식과 전산해 석 기법 “………………•..•.•••.•.•••.......•.“”“ ……”“”“ 12

4. 해석 결과 및 고찰 14

5. 결론 “ •....••••.•.•.......““••.•..““”… 22

참고문현 …… 52

- 4 -

Flow model between two parallel fins

U-velocity profiles between two parallel fms

Displacement and momentum thickness of boundary layer on the fm

Skin friction coefficient along the fm

Comparison of heat transfer coefficient on the fin

Flow model between two parallel fins with vortex generator

Velocity vectors on the symmeσy plane at 2=3.5 nun for the fins with

vortex generator

Fig. 8 X-component of vorticity at three different cross sections downstream

of the vortex generator

Fig.9 Sta다c pressure distribution along the wall at y=14 mm for the fms with

vortex generator

Effect of vortex generator on heat tr없lsfer for the fin

Schematic and grid of 뻐1-circular tube heat exchanger

Velocity vectors on the synuneσy plane at z=3.5 nun for the fin­

circular tube heat exchanger

Fig. 13 Contours of wall static pressure for the fin-circular tube heat

exchanger

Distribution of Nusselt number for the fin-eire비ar tube heat exchanger

Schematic and grid of fm-flat tube heat exchanger

Velocity vectors on the synuneσy plane at z=3.5 nun for the fin-flat

tube heat exchanger

Fig. 17 Contours of wall static pressure for the fm-flat tube heat exchanger

Fig. 18 Distribution of Nusselt number for the fin-flat tube heat exchanger

Fig. 1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Fig.6

Fig.7

Fig. 10

Fig. 11

Fig. 12

Fig. 14

Fig. 15

Fig. 16

그렴목차

FS

Fig. 19 Sch밍natic 때d grid of fm-띠℃띠따 tube heat exchanger with vortex

generators

Fig. 20 Velocity ve타:Drs on the symmetry plane at z=3.5 mm for the fin­

circular heat exchanger 없ld vortex generators

Fig. 21 Conto따'S of wall static pressure for the fin-cir，αllar tube heat

exchanger with vortex generators

Fig. 22 Distribution of Nusselt number for the fin-circular tube heat exchanger

with vortex generators

Fig. 23 Effect of vortex generator on heat transfer for the fin-circular tube

heat exchanger

Fig. 24 Schematic and grid of rm-flat tube heat exchanger with vortex

generators

Fig. 25 Velocity vectoπ on the symmetry plane at z=3.5 mm for the fin-flat

tube heat exchanger with vortex gen앙ators

Fig. 26 Contours of Wall static pressure for the fin-flat tube heat exchanger

with vortex generators

Fig. z7 Distribution of Nusselt number for the fin-flat tube heat exch하1ger

with vortex generators

Fig. 28 Effect of vortex generator on heat σansfer for the fin-flat tube heat

exchanger

- 6 -

기호설명

Cf Skin friction coefficient

Q Specific heat at constant pressure

H Characteristic length

h Convective heat tr와1St<하. coefficient

k Thennal conductivity

P Pressure

q Heat flux

T Temperature

U Free stream velocity

Nu Nusselt number, 바νk

pr Prandt1 number, lJ / a

Re Reynolds number, OW I)

a Thennal diffusivity

E Eddy Viscosity

μ Dynamic viscosity

p Density

U Kinematic viscosity of 떠r

- 7 -

1. 서론

1.1 연구배정

열교환기의 혈전달용 촉진시키기 위하여 지금까지 개발된 기슐에는 유혜 혹용

전혈연에 진동융 가하는 방법， 유체에 정전장융 발생시키는 방법， 핀율 사용하여 열

전달 면척올 중대시키거나 와류를 발생시쳐 열전달을 촉진시키는 방법 퉁이 있다.

위의 방법 중에 유체 혹은 전열변에 진동용 가하는 방법이나 유체에 정전장을 발생

시키는 방법온 외부로부터의 추가척인 동력 투입이 펼요하기 때푼에 에너지 절약이

라는 측면에서는 바랍직하지 못하다. 열교환기의 열천달융 촉진시키기 위해서 오래

전부터 가장 많이 사용되고 있는 방법이 핀이나 확대전열면척을 부착하는 것이다.

최근에는 가공기술의 진보와 이용 목척의 다양화에 따라 륙수한 형태의 핀이나 확

대전열연을 제작하여 열전달면척의 중가와 와류형성에 의한 열전달계수 중대의 이

중의 효과를 얻고 있다. 와류는 주변의 유통장을 불안갱하게 만뜰으로써 여러 가

지 전달현상을 촉진시키는 효과를 가져온다. 많온 열/유체 용용기계들온 와류에

의한 이러한 효과가 절대척으로 펼요하여 욕별히 고안된 형상의 평면율 갤치하

여 의도적으로 와류의 생성올 꾀하고 있다. 이때의 평변을 와류발생기라 한다.

일반척으로 와류발생기는 길이방향의 와류(longitudinal vortex)를 형성시킴으로

써 경계충과 와류의 상호작용으로 안해 복잡한 3차휠의 혼합이 형성되고 륙혀

상대척으로 뜨거운 벽면의 공기를 위로 올리는 한편 핀 중심부의 찬 공기를 높

은 온도의 벽으로 보냄으로써 열천달융 촉진시킨다. 또한 원관이나 납작관의 뒤

쪽의 후류부분에 껄치됨으로써 핀의 너비방향으로 와류(σ없lsverse vortex)를

형성시키고 이 와류는 관에서 박리 현상융 자연 또는 감소시킴으로써 열천달율

촉진시킨다.

- 8 -

1.2 연구동향

Fiebig온 liquid σystal th앙mography 기법융 사용하여 핀-원판형 열교환기와

핀-납작관형 열교환기에 대하여 와류발생기릎 부착환 정우와 부착하지 않은 경우，

국소 열천달계수와 명균 열전달계수를 실험척으로 연구하였다. 실험 결과 와류발생

기릎 부착한 경우에 핀-원관형 열교환기에서는 총방향 와류가 열천달계수를 10%

중가시키며， 핀-납작관형 열교환기에서는 100% 중가시키는 것으로 나타웠다. 압력

강하도 핀-납작관형 열교환기가 작은 것으로 나타냈다. Biswas는 핀-왼판형 열교

환기에 winglet형태의 와류발생기를 부착하였을 때 와류의 유동륙성과 열천달 촉진

메카니즘율 천산해법융 사용하여 연구하였다. Winglet형태의 와류발생기를 원관 후

면에 4S>로 성치한 해석결과를 살펴보면 와류발생기에 의혜 와류의 채순환 영역올

작케 하여 열전달계수를 240% 중가시커는 것으로 나타났다. 강10는 사각관 3차원

난류유동에 대하여 와류발생기의 형태와 껄치방향에 따른 열전달효과를 연구하였

다. 이 연구결과에서는 와류발생기를 젤치합으로서 평균 열전달계수가 450%나 중가

하였다.

1.3 연구내용 및 목객

본 연구에서는 법용 열유체 해석프로그햄인 FLUENT 코드를 사용하여 와류발

생기를 사용한 일반적인 핀-관형 열교환기의 여러 가지 해석모텔에 대해 와류의 유

통특성과 열전달의 상관관계를 분석하여 압력손실올 줄이면서 열전달 촉진을 최대

로 하는 열교환기의 효율을 높야는 방안융 연구하고자 한다.

OJ

2. 해석모텔

본 연구에서는 복잡한 형상의 열교환기의 유동장올 계산하는데 따른 오차를

최소화하기 위하여， 간단한 두 명판 사이의 유풍부터 시착하여 단계별로 난이도

를 중가서켜 최총척으로 와류발생기를 포합환 납작관형 핀-관 열교환기의 유통

을 계산하였다. 다읍과 같이 여섯 단계로 나누어서 수치해석용 수행하였으며 매

단계마다 수치해석결과를 고찰하여 그 청확도를 확언한 후 그에 따라 수치해석

방법을 개선하였다.

가. 두 핀 사이의 유동과 열전달

나. 와류발생기가 설치된 두 핀

다. 원관형 핀-관 열교환기

라. 납작관형 핀-관 열교환기

마. 와류발생기가 셜치된 원판형 핀-관 열교환기

바. 와류발생기가 설치된 납작관형 펀-관 열교환기

각 단계별로 하나의 형상만을 고려하였고 하나의 유동조건이 모든 단계에

똑 같이 적용되었다. 이때의 핀 사이의 간격 H는 7 mm이며 벽면(핀， 관， 와류

발생기) 온도는 50 °C로 일청하게 유지되고 핀의 입구에서는 10 m1s의 균일한

속도 U。로 20°C의 공기가 유입이 된다. 야때 일관적인 고찰을 위하여 여섯

단계 모두 같은 관성좌표계릎 사용하였다. 즉 x방향은 유선방향(streamwise) 으

로서 공기가 유입되는 입구에서 출구 쪽으로와 방향을 양(posi디vel으로 하며， y

방향은 유선올 가로지르는 방향(cross stream)으로서 핀의 너비방향이며， z방향

은 xy명변에 수직인 방향으로서 아래 핀에서 윗핀으로의 방향이 양이다.

ι 와 H에 기준한 Reynolds 수는 4，800으로서 이 때의 유통은 완전한 난류라

볼 수 없는 천이유동(transi디onal flow)이므로 본 연구에서는 문제를 간단화 시

키기 위해 충류(laminar)로 가정하였다. 또한 Mach 수가 매우 낮으므로 이 유

- 10 -

동융 비압축성으로 간주하여 압력에 따른 밀도의 변화는 무시하였다. 하지만 온

도차에 의한 공기의 밀도변화는 이상기체의 상태방청식율 사용하여 고려하였다.

- 11 -

3. 지빼방정식과 전산해석기법

핀-판 열교환기헤서 유동과 열전달올 해석하기 위한 지배방청삭융 일반형으

로 표시하면 다음과 같다.

효(pq，)+펴-:-(pu.f，) = 펴」[ r흐와] +Sd (3-1)j ,,,";.,,/- ax. 1 ~ ~ ax. J ''''~

여기서 좌변 첫 번째 항은 검사체척 내의 시간에 따른 물리량의 변화를 나타내

고， 두 번째 항은 대류항(convection term) , 우변 첫 번째 항온 확산항(diffusion

term), 두 번째 항온 생성항(source term)융 나타낸다. 변수@에 따라 지배방청식

이 달라지며 ~=l인 경우 연속방정식，~가 속도성분인 경우는 운동량 방청식， 111

=H( 땐탈피)인 경우는 에너지방정식융 나타낸다. 각각의 지배방청식에 대환 확

산계수 ro와 생성항 s. 는 다른 형태로 표시된다. 본 연구에서는 충류유동으로

가청하여 해석용 수행하였으며 차후에 난류모텔올 삽입할 예정이다.

유한체적법 (FVM:Finite Volume Method)올 사용하여 검사체적에 대한 지배

방정식 (3-1)의 차분방정식을 구하면 다음과 같다.

#획(Aj-SP)= 우(A. q，，) +Sc (3-2)

법용 열유체해석 프로그램인 FLUENT의 power-law 차분방법올 사용하여 미지

변수 @에 대한 계수 A의 혜를 구하였다. FLUENT는 유통， 열전달， 상변화， 연

소 퉁과 관련된 현상의 수치해석올 위해 개발된 프로그랩으로 전 처리장치인

preBFC, Solver와 후처리장치인 FLUENT로 구성되어 있다. FLUENT는 완전

음해법 (fully implicit scheme)을 사용한 유한체적법 Coed로서 속도 동 벡 터 량과

압력， 온도 풍 스칼라 양을 같윤 위치에 저장하는 칩충격자(non-staggered

grid)를 사용하며， 대류항용 계산하기 위한 격자정간의 보간은 power-law법， 2

차 상류차분법， 고차상류차분법인 QUICK법융 선택하여 사용할 수 있다. 난류모

헬은 k-E모웰을 기본으로 사용하고 RSM(Reynolds Stress Moden과

RNG(Renormalization Group) 모댈율 션택적으로 사용할 수 있다. 수치해법용

- 12 -

SIMPLE과 SIMPLEC를 사용하고 있다. 본 연구에서는 power-law scheme과

SIMPLE algorithm을 사용하여 전산해석융 수행하였다. 각 단계별 해석모텔， 격

자의 배치방법， 경계조건 퉁온 전산해석 결과 및 고찰에서 제시하였다. 수렴판

청은 다음의 전 영역 전류항의 총합이 10-601 하가 되는 시정으로 보았다.

r; £rIDdISP I [ AdE+A패w+A싸N+As4's+Sc-A~p] I~1O -6 (3-3)

£nOdISP I (Ap애

- 13 -

4. 해석결과 및 고활

가. 두 편 사이의 유동과 열전달

두 명판(핀) 사이에서의 2차원 유동과 열천달을 수치 혜석한다는 것온 새로

울 것도 없고 비쿄척 간단한 작업이다. 그러나 이러한 유동이 핀-관 열교환기의

기본 유풍이라는 점올 감안할 때 반드시 수치해석의 결과를 확인해야 되리라

생각환다‘

Fig. 1에 도식되었듯이， 두 핀은 50°C의 일청환 용도률 유지하며 7mm 간격

H를 두고 있다. 그 사이로 20°C의 공기가 10 mls의 균일한 속도 Uo 를 가지고

유입되고 었다. 핀의 길이는 216 mm이고 너비는 256 mm이다. z = 3.5 mm의

핀 중심선을 기준으로 이 유동은 대칭을 이루므로 수치해석은 그립에서 점선으

로 표시된 아래의 반 영역에서만 이루어 졌다. 아 때의 격자는 X방향으로 217

선. z방향으로 30선으로 구성되어 었으며 벽면과 핀의 입구 부분에 유동의 급격

한 변화를 포착하기 위해 격자의 벌도를 높게 배쩡하였다.

Fig. 2에서는 여러 x지점에서 x방향으로의 속도 U의 분포를 보여주고 있다.

입구에서 균일한 벽면 가까운 곳의 속도가 줄어둠으로써 경계충용 형성하게 되

고 상대적으로 칠량보존의법칙에 의해 중심션에서의 속도는 유입 속도 Uo 보다

정점 더 커지게 된다. 출구의 근처에서는 x방향으로 속도분포의 변화가 매우 작

아져서 경계충이 완전발달 (fully developed) 상태에 가깝다는 것을 보여주고 있

다.

Fig. 3에서는 유통이 x방향￡로 진행합에 따라 벽면 경계충의 변위

(displacement) 두께 8" 와 모멘텀 (momentum) 두꺼J 8의 발달융 표시하였다. 이때

두 핀 사이의 유동에서는 항상 호의의 압력구배 (favorable pressure gradient,

뿔〈이가 작용하므로 두 핀 사이에서 형성되는 경계충온 일청한 자유류에 의해

형성되는 외부 경계충과 다르다는 쟁을 상기할 펼요가 었다.

- 14 -

Fig. 4는 벽연 마활계수 C，의 발달용 보억주고 있다. 여기서 C，는

다를쉰단 로 청의되며 이 때 r.용 벽면에셔의 전단용력으로서 r.=μ뿔).로"2 PU

주어지며• u는 핀 중심선에서 속도 록 최고속도률 나타낸다. C，는 입구에서 균

얼한 속도로 유입되는 벽면에서의 큰 속도구배로 인해 매우 큰 값용 가지나 유

체의 첨성에 의혜 경계충이 형성되면서 벽면에서의 속도구배가 급격혀 작아짐

에 따라 C，도 빨리 감소한다. 출구에 가까워지면서 C，는 완만한 기율기로 감소

하여 완전혀 발달된(f비ly developed) 경계충에 접근하고 있음을 나타내고 었다.

이렇게 벽면의 존채는 유체에 마찰저항(fric디on drag)융 주게 되어 압력의 손실

용 초래한다. 업구에서 출구까지의 총 압력강하는 43 Pa로 계산되었다.

Fig.5는 국소열전달계수의 변화를 나타낸 것으로 전산해석 결파를 평판위의

경계충 유동에 대한 충류해석에서 얻어진 다음의 이론 식과 비교하였다.

Nux = 0.332 pr 113 Re~2 (4-1)

열전달계수는 명판의 선단S로부터 급격하게 감소하다가 완천히 발달된 유

동에 접근하면서 거의 일정한 값을 유지하는 것을 알 수 있￡며 천산해석 결과

와 이론 식온 잘 알치하고 었다. 열전달계수의 감소는 앞서 고활환 경계충의 두

쩨와 밀첩한 관계를 갖고 있다. Fig. 4의 벽면 마찰계수와 Fig. 5의 혈전달계수

의 변화하는 경향이 비슷하며 이것을 Reynolds-Colburn 유사라 환다.

나. 와류발생기가 셜칙된 두 핀

이 번 단계에셔는 Fig.6에서 보듯이 두 핀 사이에 하나의 사각형 와류발생

71 (rectangular winglet)만을 계산영역에 포함시킨 경우이다. 와류발생기는 가로

7 mm. 세로 7 nun의 크기를 가지며 xy명면상에서 유업공기 속도벡터에 대하여

45'。의 각도로 버스듬히 서었고 yz평면상에서는 수칙으로 셜치되어 있다. 그럽에

서 나타나듯이 와류발생기는 두 핀까지 연결되어 있으므로 유동은 앞 단계와

마찬가지로 두 핀 사이의 중심면융 기준으로 대청이다. 또한 양 옆변에도 대청

조건융 부여하여 와류발생기가 옆으로 나열되어 있는 상황융 가청하였다. 또한

- 15 -

와류 발생기는 핀과 같이 50°C의 온도틀 유지하고 있다고 가정하였다. 이렇게

하여 셀갱된 계산 영역용 격차 109 x 35 x 11로 분할되었다. 측 X방향으로

109, y방향으로 35, Z방향으로 11개의 격자점이 불 균일하게 분포되어 있다. 격

차의 멸도는 와류발생기와 아래 벽연에 높게 배청되었다. 여기서 주목할 사실용

와류발생기는 오칙 하나의 격자첨만 포함하게 합으로써 실제로 무한혀 앓온 와

류발생기로 가갱했다는 사실이다.

Fig.7은 바탁연으로부터 z = 3.5 mm에 위치한 중심대청명면에서의 속도 벡

터로 와류발생기 주변에서 관찰한 것이다. 와류발생기가 유션에 대하여 450의

받옴각(angle of attack)융 가지고 비대청으로 배열되어 았으므로 그 뒤에 생기

는 두 개의 z성분의 와류도 비대청으로 형성됩융 볼 수 었다.

Fig.8은 와류발생기의 후류방향으로 3개의 x지청에서 YZ평면상의 x성분의

와류도(vorticity)를 출구 쪽에서 바라본 것이다. x = 65.5 rom 지점에서는 즉

와류발생기의 바로 뒤에서는 서로 반대방향으로 회전하는 두 개의 와류를 확인

할 수 있다. 유션에 대해 버스듬혀 서있는 와류발생기는 너비방향드로 속도를

유발시키고 이러한 속도는 벽면근처에서는 작고 중심면 근처에서 최대가 되므

로 이러한 속도의 크기 차에 의혜 와류발생기의 왼쪽에는 양의 와류， 오른쪽에

는 음의 와류가 생긴다고 추측할 수 있다. x = 70 mm에서는 양의 와류의 중심

이 벽면에서 멀어지며 작아졌고 반대로 음의 와류는 벽연까지 확산하며 커졌옴

을 알 수 었다. x == 74.2 mm에서는 양의 와류는 거의 소멸 (dissipate)되었으며

음의 와류가 와휴발생기의 후류영역을 지배함을 보여주고 었다. 이 커다란 옴의

와류가 중심의 찬 공기를 벽면￡로 유도하여 결과적으로 열전달융 촉진시킴용

유추할 수 었다.

Fig. 9는 와류발생기를 통파하는 y = 13.5 mm의 선용 따론 벽면의 청압력

의 분포를 보여주고 있다. 와류발생기의 전변에 청검 (stagnation point) 부근에

이르러 압력이 급격히 상숭하며 후면의 후류영역 즉 채순환영역에서는 압력의

최저 값올 나타내고 있다. 입구에서 출구까지의 계산된 총 압력강하는 54 Pa이

며 이는 앞에서 계산된 두 명판 사이의 유동과 비교했융 때 약 18 Pa의 압력강

- 16 -

하가 더 발생한 것￡로써 이 중가된 압력손실은 와류발생기에 의한 형상저항

(form drag)이 주된 원인이라 하겠다.

Fig. 10은 와류발생기가 없는 두 핀 사이의 유동과 와류발생기가 셜치된 유

동에서 국소열천달계수의 변화률 비교한 것야다. 와류발생기 바로 뒷부분에서

열전달계수가 3배 청도 중가하다가 급격히 감소하며 와류의 영향온 상당혀 뒷

부분까지 유지되는 것올 알 수 있다.

다. 원판형 편-판 멸교환기

이번 단계에서는 와류발생기가 없이 핀파 원형의 관으로 구성된 열교환기에

서 유동과 열천달 륙성율 살펴보았다.

Fig. 11온 이러환 열교환기를 위에서 바라 본， 즉 xy명면상에서의 관의 배치

빛 격자의 구성을 보여주고 있다. 완관의 지룹온 32 mm이고 3열의 원관이 서

로 엇갈혀 가며 배치되어 있다. 이때 핀의 길이는 216 mm이고 너비는 256

mm이다. 계산영역온 유동의 주기성을 고혀하여 벗금친 부분만￡로 한정하였다.

물론 높이방향으로도 대청성용 고려하여 z = 3.5 mm~ 대칭면을 기준으로 아

래의 반 공간만올 생각하였다. 이렇게 셜청된 계산영역은 X방향으로 115, y방향

으로 29. z방향으로 11개와 격자션을 사용하여 차분화되었다. 원관의 벽면 주위

로 춤춤한 격자를 구성하였다.

Fig. 12는 대칭평면상에서의 속도멕터를 보여주고 있다. 입구에서 유입된 공

기는 첫째멸의 왼관에 어르러 청점올 형성하고 원판을 따라 톨며 호의의 압력

구배에 의혜 정차 가속이 된다. 원관의 중간올 막 지난 유동은 역압력구배

(adverse pressure gradient)의 영향으로 속도가 늦추어지며 마첨내 정점으로부

터 원관의 뒤쪽으로 약 120。에서 박라(separa디on)현상이 일어나 원관의 뒤쪽에

박리영역용 형생한다. 이때 박리영역， 즉 채순환영역(recirculation zone)S} 길이

는 원관의 지릅에 상당함을 판찰할 수 었다.

Fig. 13온 갱압의 분포를 나타낸 것이다. 그림에서 잘 나타나 있듯이 각 원

관율 중심으로 천방(upstre따n)에는 호의의 압력구배， 후방(downstream)에는 역

- 17 -

압력구배가 형성된다. 특하 원관의 바로 뒤쪽에 형성되어 있는 완만한 압력구배

를 나타내는 큰 영역온 바로 채순환영역융 나타내고 있는 것이다. 이 유풍의 입

구에서 출구까지 총 압력손실용 390 Pa로써 이는 두 핀 사이의 유동에서의 압

력캉하에 비해 무려 9배에 이르는 값이다. 이러한 큰 압력손실은 원판을 열교환

기에 활용함에 있어서 커다란 제한이 되고 있다.

Fig. 14는 핀에서 국소열전달계수의 분포를 나타내고 았다. 원관 앞부분에

말굽와류가 형성되어 열전달계수가 크게 중가하고 이 와류가 원관 주위를 따라

흐르면서 관 후방에까지 영향올 미치는 것융 알 수 있다. 한편 원관 뒷부분에

형성되는 넓은 재순환영역에서는 매우 낮은 열전달계수를 나타내고 있다.

라. 납작관형 편-판 열교환기

이번 단계에서는 원관형 대신 납작관이 3열로 배열된 핀-판 열교환기에서

유동 및 열전달 현상올 살펴보았다. Fig. 15에는 이러한 납작관의 배열과 120

x 29 x 11의 크기를 갖는 격자망융 xy평면상에서 보여주고 있다. 납작판의

길이는 69.9 mm, 두께는 12 mm이고 납작관의 길이방향으로 양률은 반원으로

처리되었다.

Fig. 16은 대칭변에서 납작관의 모서리 부분에서의 속도빽터를 살펴본 것이

다. 납작관 주위에서의 유동의 변화는 원관의 경우에 벼해 훨씬 미약하다. 륙허

납작관의 뒤쪽에 형성되어 있는 아주 작온 박리영역을 제외하고는 영역전체에

걸쳐 부학유동{attached flow}임을 보여주고 있다. 이러한 사실로 미루어 보아

납작관의 형상저항은 원관에 비해 작은 것이며 그에 따른 압력손실 또한 작으

리라 예상된다.

Fig. 17은 정압분포를 보여주고 었다. 납작관의 앞 모서리 부분에서는 큰 압

력구배를 보이고 있으나 그 외의 영역에서는 배우 완만한 압력의 변화를 보이

고 있다. 입구와 출구 사이에서의 총 압력손실윤 145 Pa로 계산되어 졌다. 이는

원관의 경우에 비해 절반도 안되는 값이다.

Fig. 18은 핀에서의 국소열전달계수의 분포를 나타낸 것으로 원관형 핀-관

- 18 -

열교환기와 비슷한 경향융 보이고 있으나 말굽와류에 의한 열전달 촉진은 훨씬

미약하다. 따라서 납작관형 핀-관 열교환기는 원판형 핀-관 교환가에 벼혜서

열전달 효율이 떨어진다.

마. 와류발생기가 셜쳐된 원관형 핀-관 열교환기

이번에는 각 원관의 후방 측면에 와류발생기가 셜치되어 있는 핀-관 열교환

기의 유동과 열전달올 살며보았다· Fig. 19는 앞서와 같은 원관의 배치에 와류

발생기가 더하여진 배열과 그에 따른 130 x 32 x 11의 격자구성을 xy명면에

서 보여주고 있다.

Fig. 20은 첫째 열과 툴째 열와 와류발생기 부근에서 대청명면에서의 속도액

터를 보여주고 었다. 첫째열의 와류발생기 뒤에는 서계방향으로 회천하는 커다

란 와류가 형성되어 있고 원관의 뒤에는 작은 채순환영역이 있다. 원관의 벽면

에서는 앞의 청점으로부터 약 150° 뒤에서 유동의 박려가 시작된다. 여는 원판

만이 설치된 유동에 비해 박랴의 시작이 약 30° 지연된 것이다. 이는 원관의 뒤

쪽에 설치된 와류발생기에 의해 너벼방향으로의 와류가 형성되고 이 와류는 원

판 뒤의 박리현상을 억누름으로써 박리를 지연시키고 결과적으로 채순환 영역

올 작게 만든다. 결과척으로 이러한 와류발생기의 영향은 그 영역의 열전달계수

를 높이는 효과를 가져오는 것이다.

Fig. 21은 벽면에서의 정압의 분포를 보여주고 었다. 입구에서 출구까지의

총 압력손실온 725 Pa로 계산되었으며 이는 와류발생기가 없는 원관의 경우에

비해 335 Pa의 압력손실이 중가한 것이다.

Fig. 22는 핀에서 국소열전달계수의 분포를 보여주고 있다. 말굽와류에 의한

열천달 촉진온 와류발생기가 없는 핀-관 열교환기의 경우와 비슷하고 여기에

부가해서 와류발생기에 의해 형성된 와류가 열전달계수가 낮은 재순환영역에서

열전달올 중가사키는 것을 알 수 있다.

Fig. 23온 와류발생기가 있는 경우의 평균열전달계수의 변화를 와류발생기가

없는 경우와 비교한 것이다. 와류발생기가 없는 경우는 말굽와류에 의한 열천달

- 19 -

촉진만이 나타나지만 와류발생가가 있는 경우는 말굽와류에 의한 열전달 촉진

과 와류발생기에 의한 열천달 촉진이 교대로 나타나서 전체적으로 열전달 효율

이 좋아지는 것올 알 수 있다.

바. 와류발쟁기가 셜쳐된 납작활형 편-환 열교환기

앞 철에서 살펴본 열교환기는 원관에 와류발생기가 더해져 길이방향과 너비

방향의 와류의 상호작용으로 천체 유통의 복잡한 혼합을 유도하여 높은 열전달

계수를 가질 수 있었으나 그에 따르는 커다란 압력손실은 이러한 열교환기를

실체에 활용시킴에 있어서 결청적인 장애요인이 된다. 그리하여 열전달 효과는

다소 감소하더라도 작은 압력손실을 가질 수 있는 열교환기로서 원관대신 납작

관에 와류발생기가 셜치된 형태를 이번에 살펴보았다· Fig. 24는 앞서 고찰한

납작관형 핀-판 열교환기에 와류발생기가 각 납작관의 전방 측면에 x방향에 수

칙으로 셀치된 것율 도식하였다. 와류발생기는 길이가 4.95 mm, 높이가 7 mm

인 사각형 명판으로서 역시 앞에서와 마찬가지로 무한히 앓은 두께로 가정하였

다. 계산영역은 122 x 29 x 11의 격자망으로 분할되었으며 대쳐l로 유동이 완

만합을 고려하여 각 격자의 크겨률 xy명면상에서 대체로 균일하게 구성하였다.

Fig. 25는 z = 3.5 mm에 위치한 두 핀의 대청명변에서의 속도벡터를 보여

주고 있다. 첫째열의 와류발생가 뒤에는 와류발생기와 길이의 약 4배정도의 크

기를 가지고 사계방향으로 회전하는 와류가 형성되어 있고 툴째 열의 와류발생

기 뒤로는 좀 더 큰 와류가 시계반대방향으로 회전하고 있다.

Fig. 26온 z = 0의 벽면에서의 청압의 분포를 보여주고 있다. 와류발생기와

납작관사이에 커다란 압력구배 (pressure gradient)7t 있음을 관찰할 수 있다. 이

는 와류발생기에 의해 형성되는 말굽와류가 납작관의 벽변 경계충과 거의 수직

으로 만나면서 급격한 유동의 변화가 생겨 기언하는 것이라 하겠다. 이와 같온

와류와 경계충과의 상호작용은 그 발생영역에서 국부적인 열전달 효과를 향상

시킬 것이다. 입구에서 출구까지의 총압력손실은 480 Pa로 이는 와류발생기가

없는 경우에 비해 무려 3배 이상 중가한 것이나 원관에 와류발생기가 셜치된

- 20 -

경우에 버해서는 약 34 %가 감소한 값이다.

Fig. z7은 핀에서 국소열전달계수의 분포를 보여주고 있는 것으로 원관형 핀

-관 열교환기에서와 마한가지로 와류발생기에 의한 열전달 촉진 효과가 푸렷하

게 나타녔다.

Fig. 28용 와류발생기가 있는 경우의 명균열천달계수의 변화를 와류발생기가

없는 경우와 비교한 것이다. 와류발생기가 있는 경우의 명캄열전달계수가 와류

발생기가 없는 경우보다 크게 나타나고 있다.

- 21 -

5. 결론

와류에 의한 열쿄환기의 열천달 촉진 현상올 규명하기 위해 변져 와류발생기가

껄치된 경우와 껄치되지 않윤 경우의 두 핀 사이의 기본적인 유동과 열천달 특성융

알아보고 다음으로 원판형 펀-관 열교환기 납작관형 핀-관 열교환기에 대해 와류

발생기가 껄치된 경우와 셜치되지 않온 경우의 유동과 열전달 륙성융 천산해석하여

다옴과 같은 결론을 얻었다.

1. 전산해석으로 얻어진 두 핀 사이에서의 열전달계수값과 유동체널에서의 이론적

열전달계수값이 잘 일치하는 것으로 나타났다.

2. 와류발생기가 셜치된 원관형 핀-판 열교환기는 와류발생기가 옐치되지 않은 원

관형 핀·관 열교환기에 비혜서 유동방향 와류에 의한 열전달 촉친효과가 뚜렷하게

나타나 열전달계수는 보다 높게 나타났다.

3. 원판형 핀-관 열교환기와 마찬가지로 와류발생기가 셜치된 납작판형 핀-관 얼교

환기는 와류발생기가 셜치되지 않은 납작관형 핀-관 열교환기에 비해서 열전달아

보다 높게 나타놔다.

4. 와류발생기가 설치된 원관형 핀-관 열교환기와 와류발생기가 얼치된 납작판형

펀-관 열교환기를 비교해 보면 훤관형 핀-관 열교환기에서 열전딸이 보다 크게 나

타난 반면 압력손실 또한 크게 나타났다.

열전달 측면만을 고려할 때는 와류발생기가 셜치된 원관형 핀-관 열교환기가 바

랍직한 반면 열전달과 합력손실올 모두 고려할 경우에는 와류발생기가 껄치된 납작

관형 핀-관 열교환기가 바랍직한 것으로 보인다. 차후 와류발생기의 형상과 크기，

와류발생기의 설치위치， 와류발생기의 껄치각도 와류발생기의 껄치높이둥을 변화시

- 22 -

켜 가며 와류발생기가 철치된 열교환기의 유동과 열전달 특성융 해석합￡로서 압력

손실을 고혀하면서 열천달을 최대로 할 수 있는 열교환기 셜계의 기초자료로 사용

하고자 한다.

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Effect of vortex generator on heat transfer fOT the

fm-flat tube heat exchanger

- 51 -

Fig. 28

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BIBLIOGRAPHIC II\'FORMATl ON SHEET

Performing Org. Sponsoring Org. St라녕ard Report INIS Subject

Report No. Report No. ~. No.

KAERI/TR-

721196

Ti tle/Suhti tle A Study on the heat transfer development of heat

exchanger with vortex generator

Repor‘ ter and Dept.‘Joong $up l않 (Safety &Precess Eng ineering)

Researcher & K.S. Oh (SP) , S.C. Kim (SP) , J.P. Oh (SP) , D.H. Kim (SP)

Dept.

’Pub. Place Taejon Pub. Org. IKAERI Pub. Da. 1996

Page 53 Fig. and Tab Ye의 0). N이 ) Size 3OXl9

Note

Classified f Open(O) , Ou tside( ), Class( ) i Report Type

Sponsoring Org.! Contract

! No.

ωι““떼 300 뼈s

A numerical analysis using FL~T c여e was carried out to

investigate flow characteristics and heat transfer development of

heat exchangers. 까le analysis results for both cases of the

fin-circular ωbe and the fin-fiat tube heat exchangers with t뼈

vortex generator show relatively hi빼er heat transfer coefficient

than that for both cases of the fin-circular ωbe and the fin-flat

tube heat exchangers without the vortex generator. Also, the

analysis result for the fin-circular tube heat ex대킹，ger wi th the

vortex generator has relatively higher heat transfer coefficient

and hi밟ler pressure loss than those for the fin-flat t빼e heat

exchanger with the vortex generator. The resul ts of this stu양 C뻐

be used to design the heat ex，야하1ger wi th relatively low pressure

loss and 뼈xi lIIl뻐 뼈at tr하lsfer c∞fficient.

Key Wordvortex generator, heat transfer development , fin-circular

tube heat exc뻐nger. fin-flat tube heat exchanger

서 지 정 보 양 A-11

수행기관보고서 위탑 기환보고서 표준보고셔 INIS 주쩨쿄드

번호 번호 변호 No.

KAERIITR-721/96

쩨목/ 부채 와류발생기률 사용한 열교환기의 옐천탈 촉진 연구

보고서작성자 및 부서명 이 충섭(유채계통설계 안천껴l통분야}

연구자 빛 부서명 오광석(안전계통분야L 김선철(. ). 오종휠(")

김도현(’)

발행지 대전 발행기관한국원자력

발행얼 1996연구소

페이지 53 도 표 1 유(0) 무() 크기 30X19

참고사항

비벌여부 | 공개 (0) 대외바( ) 긍비벌 ! 보고서종류 t 기술보고서

위탑연구기관

요약(300단어내외)

와류에 의한 열교환기의 옐천탈 홉진 현상율 큐명하기 위해 볍용 열유체

해석 프로그램인 FLlIDπ 쿄드률 사용하여 와류발생기가 설치펀 경우와 셜

치되지 않은 경우 각각의 원판형 핀-관 열교환기， 납착관형 핀-관 열교환

기. 두 핀 사이의 유동과 열전달 륙성에 대해 수치해석율 수행하였다. 와

류발생기가 설치된 원관형 핀-관 열교환기와 납착관형 인-관 열교환기는

와류발생기가 설치되자 않은 경우에 벼해서 유통방향 와류에 의한 혈천탕

촉진효과가 푸렷하게 나타나 열전달계수는 보다 높게 나타났다. 와류발생

기가 셜치원 원판형 핀-관 열교환기와 와류발생기가 설치된 납작판형 민·

관 열교환기를 비교해 보면 원관형 핀-관 열요환기에셔 혈전달이 보다 크

게 나타난 반면 압력손실 또한 크게 나타났다. 본 연구결과률운 압력손설

을 고려하연서 혈천달을 최대로 하기 위한 열교환기 셜체의 기초자료로 활

용될 수 있으리라 기대한다.

주제영키워드(10 와류， 열교환기. 열견달 촉진 현상， 와류발생기.

단어내외) 원관형 핀-판 열교환기， 납작환형 핀-판 열교환기