절리면 거칠기와 수리특성의 상관성에 관한 수치해석적 연구

이승중(Seung-Joong Lee),김병렬(Byung-Ryeol Kim),최성웅(Sung-Oong Choi) 한국암반공학회 2014 터널과지하공간 Vol.24 No.2

절리면의 수리특성에 영향을 미치는 요소는 절리면의 거칠기, 절리면의 틈새, 충진물 등이 있다. 본 연구에서는 절리면의 거칠기에 따른 수리특성을 분석하고자 Barton and Choubey(1977)가 제안한 표준 프로파일을 이용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 인공 프로파일을 생성시켰다. 표준 프로파일과 인공 프로파일을 조합하여 유동채널 모델을 제작하였으며, 최소 간극의 변화와 유동채널의 형상에 따른 수리특성을 수치해석적으로 분석하였다. 두 프로파일이 이루는 최소 간극지점을 통과한 이후 유동면적이 증가하는 지점에서 최대 유동률을 나타냈으며, 최소 간극이 증가할수록 최대 유동률은 감소하였다. 또한 유동채널의 형상과 유동채널내의 최소 간극지점의 위치가 모델마다 상이하기 때문에 단위면적당 최대 유동률은 모델마다 다른 값을 나타내고 있었다. 유동채널 내의 역학적 간극과 수리적 간극은 1.07 ~ 3.00 배 정도의 차이를 나타내고 있으며, 본 수리해석에서 분석된 Ai 값과 역학적 간극은 em = 0.519Ai의 관계를 나타내고, 수리적 간극은 eh = 0.6182Ai<SUP>0.239</SUP>의 관계를 나타는것으로 분석되었다. Roughness, aperture and filling material of rock joint are widely considered to affect the hydraulic characteristics of joint. Among these factors, in this study, the joint roughness was examined with artificial joint profiles generated by Monte Carlo simulating on the original profiles suggested by Barton and Choubey(1977). Original profiles and revised profiles were combined to establish flow channel models, in which the hydraulic characteristics were analyzed numerically on the basis of minimum aperture changes and flow channel shapes. Maximum flow rate was identified at the growing point of flow area after passing through minimum aperture generated by the two profiles, and it was resulted that maximum flow rate is inversely proportional to minimum aperture. Maximum flow rate per unit area showed different values because flow channel shapes and minimum aperture locations are different in each model. In flow channel, mechanical aperture showed approximately 1.07 ~ 3.00 times larger than hydraulic aperture. In this study, mechanical and hydraulic aperture were concluded to be closely related to Ai value, and their relations can be denoted by em = 0.519Ai and eh = 0.6182Ai<SUP>0.239</SUP>, respectively.

주기적으로 배열된 회전하는 원형 실린더를 이용한 채널유동의 열전달 증진

정태경(Taekyeong Jeong),양경수(Kyung-Soo Yang) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.12

채널 내 회전하는 원형 실린더가 주기적으로 존재하는 경우 회전하는 실린더를 지나는 유동에 의한 채널 내 유동 특성 및 채널 벽에서의 열전달 효율증진을 파악하였다. 본 연구에서 사용된 유동 모델은 마이크로 채널, 열교환기 등에서 평판 사이의 열전달 효율을 높이기 위해 흔히 사용되는 와류 생성기의 가장 단순한 모델이다. 실린더와 채널 벽과의 간격 및 Re 수를 변화해가며 수치적 해석을 수행하였으며, 직교좌표계에서 채널 내 원형 실린더를 구현하기 위해 가상경계법이 적용 되었다. 채널 내 실린더가 회전하고 있는 경우, 실린더가 정지해 있는 경우에 비해 특히 실린더와 채널 벽과의 간격이 작아질수록 채널 벽에서의 열전달 효과는 더 높은 것으로 파악되었다. In this study, we consider the heat transfer characteristics of channel flow in the presence of an infinite streamwise array of equispaced identical rotating circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex generators. A numerical parametric study has been carried out by varying Reynolds number based on the bulk mean velocity and the cylinder diameter, and the gap between the cylinders and the channel wall for some selected angular speeds. The presence of the rotating circular cylinders arranged periodically in the streamwise direction causes a significant topological change of the flow, leading to heat transfer enhancement on the channel walls. More quantitative results as well as qualitative physical explanations are presented to justify the effectiveness of varying the gap to enhance heat transfer from the channel walls.

확장 면적을 이용한 안정된 증발 마이크로채널 시스템의 설계

이희준(Hee Joon Lee),Shi-chune Yao 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.8

마이크로채널 표면의 핵에서 생성된 기포는 물을 작동유체로 이용하는 경우 채널의 좁은 단면적에 의해 압착되어 유동불안정성을 유발한다. 직관 마이크로채널에서 압착된 기포는 관성 유동의 역방향인 채널 상류로 진행한다. 마이크로채널에서 역방향 유동을 없애기 위해 채널 하류의 단면적을 확장시키는 것이 효과적이다. 그 이유는 압착된 기포의 전후단 계면의 표면장력에 의한 압력차이가 계면의 반지름에 역비례해서 자연적으로 기포가 채널 하류로 이동하려는 힘이 발생하기 때문이다. 확장 증발 마이크로채널에서 정적 유동불안정성 모델이 제시되었으며, 실험으로 모델을 검증하였다. 또한, 안정된 확장 시스템을 설계하기 위해 국부 설계 개념을 도입하였다. 검증된 모델과 개념을 바탕으로 안정된 확장 증발 마이크로채널 설계를 성공적으로 수행하였다. A growing bubble can be squeezed for water, and it will then encounter flow instability, which reverses toward upstream in straight micro-channels. To reduce the flow instability, a micro-channel that expands at the downstream end has been found to be effective. In the expanding area, a growing bubble will tend to move downstream because the net surface tension force of a vapor-liquid interface is inversely proportional to the local radius of curvature. We propose a static flow instability model and validate it experimentally. Moreover, we apply the local-instability parameter concept to the real design of a stable evaporative micro-channel with an expanding area. Based on the localinstability model, we establish a static design for stable expanding evaporative micro-channels.

유동 가시화를 이용한 PCHE의 유동분배에 관한 실험적 연구

설한이,손상호,이공훈,김정철 대한설비공학회 2023 설비공학 논문집 Vol.35 No.1

PCHE, Printed Circuit Heat Exchanger, is widely used for industrial applications with increasing demand in extreme environments. As interest in hydrogen for future fuel is increased, the interest in PCHE is also increased. In this study, we focused on the flow distribution in channels of PCHE. Although flow distribution has been employed a lot of times for decades, there are few reliable studies based on experimental results that can be directly applied in actual industrial fields. Here, we introduce experimental results about flow distribution by flow visualization. Effects of flow rates and the verticality are addressed to clarify the difference in distribution. When the flow rate is low, the flow speed difference between channels is not significantly large. If it becomes larger, the difference becomes large. Moreover, when inlet and outlet pipes are installed at a slight angle, back flow is observed. The speed profile of the tilted case in high flow rate is not easily predicted. Although the tilting angle looks very small, the measured speed profile can be completely different. 본 연구에서는 PCHE에 유입되는 유동의 방향 및 유량에 따른 불균등도에의 영향을 알아보기 위해 유동가시화 실험을 진행하였다. 일반적으로 고유량에서는 불균등도가 더욱 증가하였고, 저유량에서는 감소하였다. 또한, 액체가 중앙에서 수직방향으로 유입될 때, 저유량에서 더욱 대칭적인 속도장이 관찰되었다. 유입 방향의 경우, 작은 정도로만 기울어져도, 유동 불균등도가 증가할 뿐만 아니라, 역방향 유동이 발생할 정도로 수직인 경우와 큰 차이를 보였다. 본 연구의 실험 결과는 실제 산업의 PCHE와 비교해 볼 때, 비교적 큰 헤더를 사용한 경우에 해당된다. 따라서 헤더 내부의 chaotic 유동이 더욱더 극대화된 것으로 생각된다. 다만, 실제는 헤더의 종횡비가 더욱 큰 경우가 많고, 채널 내 평균 유속도 본 실험의 약 50 cm/s보다 더 큰 경우도 있기 때문에, 실제 산업에서의 불균등도는 더욱 안 좋을 수도 있다. 따라서 여러 가지 다양한 경우에 대해, 실질적인 유동 분배 문제가 실험적으로 밝혀져야 한다. 또한, 향후에는 최외곽 채널에 대한 분석 이외에도 내부 유동에 대한 분석도 이루어져야 하고, 기체를 포함한 다른 유체에 대해서도 분석이 이루어져야 한다. 그리고, 채널 방향과 수직인 경우 및 입출구 배관 크기의 영향 등에 대해서도 심도있는 연구가 이루어져야 할 것이다.

2차원 채널 내의 수직 평판을 지나는 스톡스 유동에 대한 연구

윤석현(Seok-Hyun Yoon),정재택(Jae-Tack Jeong) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.6

2차원 채널 내의 수직 평판을 지나는 유동에 대한 이론적 연구를 수행하였다. 수직 평판은 채널의 상하 중앙부에 위치하며, 수직 평판에서 멀리 떨어진 채널 내에는 포아제 유동이 존재한다. 스톡스 근사를 적용하고 고유함수 전개와 점 배열 방법을 사용하여 유동장을 해석하였다. 해석의 결과로 유동함수와 압력분포식을 구하였으며, 채널의 벽면과 수직 평판에 작용하는 압력 및 전단응력 분포를 계산하였다. 또한, 수직 평판으로 인해 부가적으로 발생하는 압력 강하와 수직 평판이 받는 힘을 수직 평판 길이의 함수로 계산하였으며, 대표적인 수직 평판의 길이에 대하여 유선과 압력분포도를 도시하였다. 또한, 작은 레이놀즈 수가 유동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 레이놀즈 수가 작은 층류유동의 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다. A two-dimensional Stokes flow past a vertical plate in a channel is analyzed. The vertical plate is located at the center of the channel, and plane Poiseuille flow exists far upstream and downstream of the vertical plate. The Stokes approximation is used, and the flow is investigated analytically using the method of eigenfunction expansion and the point collocation method. From the analysis, the stream function and pressure distribution are obtained, and the pressure and shear stress distributions on the plate and channel wall are calculated. The additional pressure drop induced by the vertical plate and the force exerted on it are calculated as functions of the length of the vertical plate. For a typical length of the vertical plate, the streamline pattern and pressure distribution are shown. In addition, numerical analysis of laminar flow with a small Reynolds number is carried out to analyze the effect of a small Reynolds number on the flow pattern.

2차원 채널 내의 원형실린더를 지나는 스톡스 유동에 대한 연구

윤석현(Seok-Hyun Yoon),정재택(Jae-Tack Jeong) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.10

2차원 채널 내의 원형실린더를 지나는 유동에 대한 이론적 연구를 수행하였다. 원형 실린더는 채널의 상하 중앙부에 위치하며, 원형실린더에서 멀리 떨어진 채널 내에는 포아제 유동이 존재한다. 스톡스 근사를 적용하고 유동의 고유함수 전개와 오차의 최소제곱법을 사용하여 유동장을 해석하였다. 해석의 결과로 유동함수와 압력분포 식을 구하였으며, 채널의 벽면과 원형실린더에 작용하는 압력 및 전단응력 분포를 계산하였다. 원형실린더로 인해 부가적으로 발생하는 압력 강하와 원형실린더가 받는 힘을 원형실린더의 반지름 길이의 함수로 계산하였으며, 대표적인 실린더 반지름 길이에 대하여 유선과 압력분포를 도시하였다. A two-dimensional Stokes flow past a circular cylinder in a channel is analyzed. The circular cylinder is located at the center of the channel, and a plane Poiseuille flow exists upstream and downstream far from the circular cylinder. The Stokes approximation is used, and the flow is investigated analytically by using the eigenfunction expansion and the least square methods. From the analysis, the stream function and pressure distribution are obtained, and the pressure and shear stress distributions on the circular cylinder and channel wall are calculated. The additional pressure drop induced by the circular cylinder and the force exerted on it are calculated as functions of the length of the radius of the circular cylinder. For a typical length of the radius of the circular cylinder, the streamline pattern and pressure distribution are shown

모델 스크램제트 엔진 연소실 벽면 냉각 채널 개념 설계

진상욱(Sangwook Jin),최호진(Hojin Choi),이형주(Hyung Ju Lee),배주현(Juhyun Bae),박동창(Dongchang Park) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

직접 연결식으로 시험이 수행될 모델 스크램제트 엔진의 연소실 벽면 냉각을 위한 냉각채널의 개념 설계에 필요한 유동해석을 상용유동해석 프로그램인 Solidworks FLoworks를 이용하여 수행하였다. 냉각 채널간의 유동을 균일하게 만드는 것을 목표로 입구와 출구 면적 변화, 입구 후단 정체영역과 출구 전방 정체영역의 크기와 유무, 오리피스 유무, 오리피스와 냉각 채널 결합 유무 등의 다양한 형상에 대해 유동해석을 실시하였다. 해석 결과로부터 냉각 채널과 결합된 오리피스가 유속을 결정하는데 중요한 역할을 하며 오리피스와 냉각 채널이 결합된 형태에서 오리피스 면적이 동일하면 냉각채널 간의 유속이 균일해진다는 사실을 발견하였다. The flow analysis required for the conceptual design of the cooling channel on combustor wall in a model scramjet engine has been conducted by a commercial flow analysis software tool, Solidworks FLOWORKS. In order to make the flow between the cooling channels uniform, flow analysis is carried out for various shapes such as inlet and outlet area change, size of inlet stagnation area and exit stagnation area, with or without orifice, with or without combination of orifice and cooling channel . From the analysis results, it was found that the orifice combined with the cooling channel plays an important role in determining the flow velocity, and when the orifice area and the cooling channel are combined, the flow rate between the cooling channels becomes uniform.

레이놀즈 수의 시간 증가율에 따른 난류 채널유동의 변화

정서윤(Seo Yoon Jung),김경연(Kyoungyoun Kim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.7

레이놀즈 수의 시간 증가율이 벽면난류 구조에 미치는 영향을 난류 채널유동에 대한 직접수치모사를 수행하여 조사하였다. 완전 발달된 Reτ = 180의 난류 채널유동이 가속을 받게 되어 평균속도로 무차원화된 레이놀즈 수가 5600에서 13600까지 선형적으로 변화하게 된다. 다양한 가속 시간에 대한 계산을 수행하여 벽면난류에 대한 가속율의 효과를 파악하였다. 유량의 증가율이 큰 경우에는 우회 천이와 유사한 현상이 발견되었으며, 유량의 증가율이 낮은 경우에는 우회 천이 현상이 거의 나타나지 않았다. 본 연구 결과는 초기 레이놀즈 수와 최종 레이놀즈 수의 비 보다는 레이놀즈 수의 시간 증가율이 채널내 과도유동에서의 우회 천이 현상 발생에 주요인자 임을 제시한다. Effects of the increase rate of Reynold number on near-wall turbulent structures are investigated by performing direct numerical simulations of transient turbulent channel flows. The simulations were started with the fully-developed turbulent channel flow at Reτ = 180, then temporal accelerations were applied. During the acceleration, the Reynolds number, based on the channel width and the bulk mean velocity, increased almost linearly from 5600 to 13600. To elucidate the effects of flow acceleration rates on near-wall turbulence, a wide range of durations for acceleration were selected. Various turbulent statistics and instantaneous flow fields revealed that the rapid increase of flow rate invoked bypass-transition like phenomena in the transient flow. By contrast, the flow evolved progressively and the bypass transition did not clearly occur during mild flow acceleration. The present study suggests that the transition to the new turbulent regime in transient channel flow is mainly affected by the flow acceleration rate, not by the ratio of the final and initial Reynolds numbers.

직접모사법을 이용한 형상 변화에 따른 미소채널 유동 해석

최영재(Y.J. Choi),권오준(O.J. Kwon) 한국전산유체공학회 2017 한국전산유체공학회지 Vol.22 No.3

In the present study, to investigate the characteristics of subsonic rarefied gas flows in micro-channels with shape change, flow simulations of micro-channels with different geometries were conducted using a direct simulation Monte-Carlo (DSMC) solver based on unstructured meshes. For simulating micro-channel flows like pressure driven flows, the pressure boundary conditions at the inlet and the exit were additionally applied. Verification of the boundary condition was conducted by comparing with other researchers’ DSMC simulations with the pressure boundary condition. After verification of the boundary condition, the straight micro-channel of 15μm × 1μm was considered for the baseline channel. The pressure conditions at the inlet and the exit were 5×105 Pa and 1.66×105 Pa, respectively. The inlet gas temperature and wall temperature were both 300K, and a fully diffuse reflecting wall was considered. Three types of change of shapes were considered. The change of the length, height and bend angles were treated for this study. Firstly, to investigate the effects of the change of length, half and twice of the baseline channel length were considered. It was shown that the pressure gradient was dominantly affected by the change of the lengths. As a result, the velocity was more accelerated for short length channel than for the baseline channel. On the other hand, when the heights were become higher, the changes of flow properties were greater than the baseline channel due to the area of boundary layers or the forces by the pressure gradient. Finally, the effects of the bend angles in micro-channels were investigated with several bend angles. The angles were considered from 0 to 135 degrees. When the angle became greater, the flow separation was generated at the concave type corner. For larger angles, the variation of flow properties at the corner became greater. Flow properties at the exit were different trend from those at the corner. Pressure and density at the exit were not dependent on the bend angles, whereas the velocity at the exit was increased according to the bend angles.

수치해석을 통한 PEMFC 채널의 설계와 SU-8을 이용한 채널 제작 및 성능 평가

최인재(Injea Choi),왕학민(Hakmin Wang),최갑승(Kap-Seung Choi),김형만(Hyung-Man Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.4

연료전지는 환경문제와 천연자원 고갈을 해결할 수 있기 때문에 가장 주목받고 있는 새로운 동력원이다. 본 논문에서는 마이크로 연료전지의 효율을 높이기 위해 다양한 형상에 대해 마이크로 채널에서 수소가스 유동을 수치해석 하였다. 이미 개발된 채널과 새롭게 고안된 채널, 모두 여섯 개의 다른 형상을 가진 채널이 같은 유동 특성과 경계조건으로 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과를 통해 유속, 유동분포 유동균일성 등이 채널형상에 따라 영향을 많이 받는 것을 알았다. 이에 수소 가스 유동을 고려한 채널형상 최적화를 통해 연료전지의 성능을 향상시키고자 하였다. 수치해석을 통한 최적화된 채널형상을 사용한 실험결과 평균보다 높은 전류밀도를 나타내었다. 그러나 내구성이 낮았다. Fuel cells have attracted enormous interest as new power sources because the cells can be used to solve the problem of environmental pollution as well as the natural-resource exhaustion problem. In this study, hydrogen-gas flow in microchannels of different shapes was numerically analyzed to improve the efficiency of a microfuel cell. Flow characteristics in six microchannels of different shapes but under identical boundary conditions were simulated. The analysis result shows that the flow characteristics such as velocity, uniformity, and flow rate, greatly depend upon the channel shape. This implies that the efficiency of microfuel cell can be expected to be increased by adopting the optimal configuration of channel shape for hydrogen-gas flow. The experimental results show that power density of a PEMFC with a microflow channel is higher than that of a PEMFC without a microflow channel; however, a durable catalyst is required in MEA.