에어커튼의 토출풍속 및 토출 각도에 따른 차단성능 연구 = A Numerical Study on the Influence of Discharge Velocity and Angle on the Sealing Performance of Air Curtains

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study systematically investigated the effects of operating conditions of a recirculating air curtain installed at a warehouse entrance on entrance sealing performance and indoor thermal environment during the cooling period. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were conducted to analyze the combined influences of outdoor airflow velocity, discharge velocity, and discharge angle, and the performance was quantitatively evaluated using dimensionless centerline velocity decay, outdoor air infiltration blocking ratio, and air mixing index.
When the air curtain was inactive, entrance airflow was governed by the stack effect, characterized by a neutral plane located near the mid-height of the opening. In the absence of outdoor wind, distinct bidirectional flow developed above and below the neutral plane, with maximum pressure differences observed near the floor and the top of the entrance. The presence of outdoor wind significantly weakened this neutral-plane-driven flow structure, suppressing bidirectional exchange and inducing wind-pressure-dominated vortical flows near the entrance, while persistent indoor air leakage occurred along the lower corner region regardless of wind strength.
Under air curtain operation, the jet core momentum played a critical role in determining sealing performance. A wider nozzle width (Dw= 0.12 m) enhanced jet momentum retention, leading to higher blocking ratios, increased mixing indices, and lower indoor mean temperatures. These effects were further strengthened when height-dependent discharge angle control was applied, enabling more uniform jet coverage across the entrance height. Conversely, excessively high discharge velocities (7–9 m/s) caused strong shear-layer entrainment above the neutral plane, resulting in excessive mixing of indoor and outdoor air, increased indoor temperature, and deterioration of both blocking efficiency and mixing performance.
Analysis of the dimensionless centerline velocity decay revealed that jets discharged near the neutral plane (Z= 1.05 m) maintained strong linearity and gradual momentum decay, whereas low discharge velocity conditions (3 m/s) led to L-shaped decay behavior in the upper and lower regions of the entrance. In these cases, jet momentum became insufficient to overcome buoyancy-driven stack effects, causing jet core deviation from the centerline. When the discharge angle was symmetrically corrected to account for jet deflection, the airflow exhibited re-alignment toward the centerline, driven by the combined effects of buoyancy and induced suction near the exhaust, indicating a stabilization mechanism unique to recirculating air curtain systems.
Further evaluation using the scale of ventilation effectiveness 4(SVE4) framework demonstrated that, with discharge angle control, indoor air outflow below the neutral plane was strongly suppressed by jet momentum blocking and suction capture, regardless of discharge flow rate. In contrast, outdoor air inflow above the neutral plane exhibited a nonlinear decreasing trend, where the reduction rate diminished and locally increased during the decay process due to persistent shear-layer entrainment and induced inflow. Importantly, an increase in blocking ratio did not correspond linearly to a decrease in indoor mean temperature, highlighting the dominant role of mixing characteristics near the neutral plane rather than discharge velocity alone.
Overall, this study demonstrates that effective air curtain performance is governed by the interaction between jet momentum and buoyancy near the neutral plane, rather than by the magnitude of discharge velocity or flow rate alone. In particular, optimal sealing is achieved through discharge angle control, which stabilizes the jet structure and suppresses entrainment-driven infiltration, instead of simply increasing discharge velocity. The optimal operating condition identified in this study (VOA= 0 m/s, Dw= 0.12 m, discharge velocity Vd= 5 m/s with discharge angle control) simultaneously minimized indoor temperature rise and maximized outdoor air blocking efficiency. These findings provide a clear physical basis and practical design guidance for the energy-efficient operation of recirculating air curtain systems in open-entrance facilities

국문 초록 (Abstract)

저장창고는 설계온도를 항상 유지해야 되어야 하지만 작업자 통행 및 물품의 출입 등으로 출입문이 개방 시 실내·외 온도 차이로 인하여 형성되는 열부력이 개방된 출입문의 상·하부 영역에서 차이 나는 압력을 의미하는 굴뚝효과(stack effect)가 발생되어 수직높이에 따라 중성대를 기준으로 외기의 유입과 실내공기의 유출현상이 동시에 발생하여 이러한 조건에서 저장창고의 온도는 설계온도와 차이 나게 된다.
또한 중성대는 건물에서 발생하는 침기 및 누기 현상을 설명하는 핵심 개념으로, 일반적으로 실내와 실외의 정압이 동일해지는 수직높이의 중앙에 위치하게 된다. 관심 대상 출입구외에 다른 위치에 출입구가 존재하면 중성대의 위치가 변화하게 되며 이로 인해, 외부 공기의 유입은 없고 유출현상만 발생하기도 한다. 이와 더불어 출입구에 작용하는 외풍이 중성대의 위치에 영향을 미치기도 한다. 그러므로 저장창고와 같이 상시 냉방을 수행하는 건물의 경우, 출입문의 개방이 실내온도를 설계온도와 다르게 유지할 가능성이 높기 때문에 냉방을 위해 사용되는 에너지를 절약하고 실내 청정도 유지를 위해 개방된 출입구에서 유출입 되는 공기를 차단할 필요가 있으며, 이러한 현상을 효과적으로 차단할 수 있는 장치 중 하나가 에어커튼이다.
에어커튼에서 분사되는 풍량은 출입구의 크기에 따른 제트 도달거리, 실내외 온도차이, 외기의 풍압 등을 고려하여 결정하며, 또한 에어커튼에 의한 외기의 차단성능은 토출구에서 토출된 제트의 속도, 풍량 및 편향각 등에 의해 차이나게 된다.
본 논문은 전산유동해석(CFD)방법을 사용하여 저장창고의 출입구 측벽에 설치된 순환형 수평토출에어커튼의 운전조건(토출각도와 토출풍속)과 외풍속도에 영향을 받는 외기 차단 성능과 실내 평균온도를 평가하기 위해 수행하였다. 외기 차단 성능은 Murakami가 제안한 급기의 배기기여도(SVE4)와 노즐면의 중심선 무차원속도(Uc/Uo), 혼합지수를 사용하여 평가하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구 대상의 종류 및 특징 4
• 1.3 문제점 및 연구 방법 7
• 제 2 장 연구사례 10
• 2.1 기존 연구사례 10
• 제 3 장 연구방법 16
• 3.1 모델 개요 16
• 3.2 지배방정식 19
• 3.3 보조방정식 22
• 3.4 경계 조건 27
• 3.5 수치해석 타당성 검증 29
• 제 4 장 고찰 32
• 4.1 고찰 방법 32
• 4.2 출입문이 닫혀있는 조건 33
• 4.3 에어커튼 정지 조건 35
• 4.4 에어커튼 가동 조건 45
• 제 5 장 결론 256
• 참고문헌 259
• Abstract 261