액체냉매기반 데이터센터 냉각시스템의 설계기준 및 에너지 효율평가에 관한 연구

조진균 대한건축학회 2024 대한건축학회논문집 Vol.40 No.5

본 연구는 데이터센터의 수요와 IT장비의 고집적도 및 전력밀도에 대응하고 기존의 공랭식 시스템을 전환하기 위한 액체기반 냉각시스템의 설계기준 및 에너지 평가지표를 제시하였다. IT부하 200 kW 대응 냉각시스템 별 기본모델을 도출하였고 에너지효율 지표에 근거하여 정량적 비교와 객관적인 판단기준을 제시하였다. (1) 데이터센터 워크로드는 유형별로 7개로 세분화되었고 IT전력밀도가 50 kW/rack이 넘으면 전통적인 공랭식으로는 냉각이 불가하여 액체기반 냉각방식을 실질적인 대안으로 제시하였다. (2) 현재 적용 가능한 액체냉매기반 냉각은 그 시스템 구성에 따라 운전조건 및 방법 등이 다양하지만 일반적으로 RDEX, 플레이트 냉각과 액침냉각으로 구분할 수 있다. (3) 기존 공냉식 시설에 액체기반 냉각의 통합은 열 제거 성능, 배관구성, 냉각분배, 냉각용량, 위험관리 및 열 제거 방법의 6가지로 설계 고려사항이 정의된다. (4) TUE는 데이터센터로 유입되는 총 에너지와 IT장비 내부의 컴퓨팅 구성요소로 유입되는 총 에너지의 상관관계로 액체기반 냉각의 에너지효율 평가를 위한 새로운 개념의 지표를 제하였다. (5) 에너지 효율평가를 위해서 200 kW급 IT부하를 기준으로 액체냉매기반 냉각시스템을 설계하고 정격(설계) 에너지소비를 기반으로 PUE와 TUE를 산출하였다. (6) PUE 분석결과, 공랭식, RDEX, 플레이트 냉각과 액침냉각 순서대로 1.42, 1.32와 1.24와 1.05로 에너지효율이 개선되었다. (7) TUE는 공랭식, RDEX, 플레이트 냉각과 액침냉각 순서대로 1.90, 1.77와 1.59 및 1.34로 수냉식 및 공랭식 IT장비의 적용차이를 반영한 효율을 도출하였다. 향후, 액체냉매기반 냉각시스템의 적용이 증가할 것이 예상되는바 보편적인 설비모델을 제시하고 각 조건에 부합하는 설계를 수행하는 객관적인 판단기준을 제공할 수 있는 것이 지금까지 제시되지 않은 기술적 학술적인 의미는 충분히 있을 것으로 판단된다. 데이터센터 액체기반 냉각시스템을 위한 판단기준은 IT전력밀도를 기반으로 본 논문에서 도출된 IT환경기준 등 냉각시스템 설계 및 제어 그리고 에너지효율성을 복합적으로 고려하여 적용 유무를 판단을 해야 할 것으로 사료된다. This study explores the design and energy assessment of liquid-based cooling systems to meet the growing demands and high power densitiesof IT equipment in data centers. It creates a baseline model for cooling systems to handle a 200 kW ITE equipment load and sets objectivecriteria for evaluating cooling energy efficiency. This study identified seven distinct data center workloads and points out the limitations oftraditional air-cooling methods for IT power densities exceeding 50 kW/rack, suggesting a shift to liquid-based alternatives. Liquid-basedcooling systems were classified into three main types: RDEX, plate cooling, and immersion cooling, with specific operational characteristicsdepending on the system configuration. To gauge system efficiency, this study introduces the TUE metric, correlating the total energy inputto the data center with the energy used by computing components. An analysis of energy efficiency showed a significant reduction in thePower Usage Effectiveness (PUE), with immersion cooling achieving an outstanding PUE of 1.05. The TUE metric also revealed considerableefficiency gains across all liquid-based cooling systems compared to traditional air cooling. This study anticipates a rise in the adoption ofliquid-based cooling systems and stresses the need for universal design criteria, taking into account ITE power density and energy efficiency.

고집적 하이퍼스케일 데이터센터의 IT운영환경 확보를 위한 랙-기반 냉각시스템 적용성 연구

조진균,이영재,이웅복 대한설비공학회 2022 설비공학 논문집 Vol.34 No.4

COVID-19 펜데믹, 비대면 산업성장과 4차 산업혁명의 인과관계에 의해 모든 산업으로 디지털화되고 있으며 데이터센터는 이러한 현상에서 가장 핵심적인 역할을 하고 있다. 향후 수요가 예상되는 하이퍼스케일 데이터센터는 IT서비스 변화에 따른 신속한 대응뿐 아니라 무중단 운영의 안정성 확보를 위한 냉각시스템이 매우 중요한 요소이다. 본 연구는 신규로 요구되는 데이터센터의 핵심 요소인 고밀도 IT전력에 대응 가능한 냉각시스템의 필요 건축면적, 에너지성능 등을 정량적으로 비교하여 합리적인 냉각방식 선정의 객관적인 판단기준을 제시하였다. 냉각방식의 타당성 평가를 위해 3개의 150 kW급 IT룸 설비모듈을 도출하였다. 또한 각 설계 대안별 냉각 PUEcooling 및 에너지비용 대한 정량적 분석으로 경제성 관점에서도 객관적인 판단기준을 제시하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약이 가능하다. ∙데이터센터 냉각을 효율적으로 수행하기 위해 구성된 IT전력밀도에 따라서 공간단위(room-based), 열-기반(row-based) 및 랙-기반(rack-based) 냉각방법이 구분할 수 있다. 공간단위 냉각은 5 kW/rack 이하의 저밀도, 열-기반 냉각은 6~10 kW/rack 범위의 중간밀도 데이터센터에서 사용가능하고 랙-기반 냉각은 15kW/rack 이상의 고도밀 랙-서버(최대 50 kW/rack)까지 대응가능하다. ∙냉각시스템의 설비모듈 구성의 타당성 평가를 위해 150 kW급 IT룸 독립모듈의 대안을 도출하였다. 고밀도 대응 랙-기반 냉각 설비모듈을 기준으로 필요면적을 분석한 결과, 중간밀도 대응 열-기반 냉각 설비모듈은 150% 증가하고, 저밀도 대응 공간단위 냉각 설비모듈은 230% 증가하는 것으로 분석되었다. ∙냉각유닛은 공단단위에서 열-기반 그리고 랙-기반 냉각으로 갈수록 분산도가 높아져서 장비의 수량은 증가하지만 IT장비의 증가에 따른 공간 점유율의 영향도와 비교하면 매우 낮다. ∙기준안: 랙-기반 냉각시스템의 연간 PUEcooling은 1.28이고 IT부하 1 kW를 운영하기 위해서는 연간 231 USD의 냉각에너지 비용이 발생하는 것으로 분석되었다. ∙ALT-1: 열-기반 냉각시스템의 연간 전력사용량은 기준안 대비 약 10%가 증가하고 PUEcooling은 1.31, 그리고 냉각에너지 비용은 255 USD/IT-kW가 소요된다. ∙ALT-2: 공간단위 냉각시스템의 전력사용량은 기준안과 ALT-1 대비 각각 18%와 7% 증가하고 PUEcooling도 1.33으로 증가하여 냉각에너지 비용이 272 USD/IT-kW가 된다. ∙CRAC/H 유형에 따른 송풍동력 감소, 그리고 냉수공급온도 상향에 따른 1차측 열원에너지 절감이 공간단위 냉각에서 열-기반 냉각과 랙-기반 냉각으로 갈수록 에너지효율이 향상되는 주요 원인으로 조사되었다. 지속적으로 증가하는 초고밀도 IT부하에 대응 가능한 냉각방식은 공랭식(air-cooled)으로는 한계에 도달했으며 수냉식(liquid cooling)을 고려해야한다. 수냉식 냉각은 IT장비의 칩셋에 냉매를 공급하여 냉각을 하거나 IT장비 자체를 냉매에 넣어서 냉각하는 액침냉각(immersion cooling)을 검토해야 한다. 그러나 이러한 기술들은 IT장비 제조사와 협의가 필요하고 데이터센터 내부에 수냉식 냉각 인프라를 구축해야하기 때문에 현재까지는 적용이 어렵다. 또한, 아직까지는 랙-기반 냉각이 적용된 사례가 많지 않다. 이것은 지금까지는 공간단위 또는 열-기반 냉각으로 가능한 IT전력밀도로 데이터센터가 구축되었기 때문이다. 그러나 하이퍼스케일 데이터센터가 주류가 되고 15.0 kW/rack이상의 전력밀도를 ... For the feasibility study of data center cooling strategy according to IT power density, a 150 kW class IT room independent module was derived. As a result of analyzing the required area based on the rack-based cooling module for high density IT power, it was deduced that the row-based cooling module for medium density IT power increased by 150%, and the room-based cooling module for low density IT power increased by 230%. It was deduced that the annual PUE cooling of the rack-based cooling system is 1.28, and the annual cost of cooling energy is 231 USD to operate 1 kW of IT load. For the row-based cooling system, the annual power consumption increased by approximately 10% compared to the rack-based cooling system, PUE cooling is 1.31, and the cooling energy cost is 255 USD/IT-kW. The power consumption of the room-based cooling system increased by 18% and 7%, respectively, compared to the rack-based and row-based cooling, and the PUE cooling also increased to 1.33, resulting in a cooling energy cost of 272 USD/IT-kW. When hyper-scale data centers become mainstream and IT power density of 15.0 kW/rack or higher, the rack-based cooling must be considered first.

막냉각 홀의 형상에 따른 터빈 블레이드 끝벽에서의 막냉각 효율 측정

김석민(Seokmin Kim),이동은(Dong-Eun Lee),정희윤(Heeyoon Chung),강영석(Young Seok Kang),이동호(Dong-Ho Rhee) 한국추진공학회 2022 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2022 No.5

현대의 가스터빈 엔진은 작동온도를 증가시켜 엔진의 효율을 높이기 위해 다양한 연구가 수행되어왔다. 이에 가스터빈 엔진에 적합한 냉각기술의 필요성이 나타났다. 막냉각 기술은 가스터빈에 적용되는 대표적인 냉각기술 중 하나로 본 연구에서는 터빈 블레이드 끝벽에 여러 형태의 막냉각 홀을 가공 후 막냉각 효율을 측정하였다. 막냉각 홀의 형상으로는 기본형상 막냉각 홀과 최적 확장형 홀, 그리고 단차구조를 가공한 홀에 대해 실험을 수행했으며, 막냉각 효율의 측정 방법으로는 압력감응페인트를 이용하였다. 실험 결과 기본형상에 비해 다른 막냉각 홀 형상들이 터빈 블레이드 끝벽에서 더욱 개선된 냉각 효율을 보여주었다. For enhancing the efficiency of the gas turbine engine by increasing the turbine inlet temperature, various researches have been conducted. Therefore, the need for cooling technology suitable for gas turbine engines appeared. One of the representative cooling technologies applied to gas turbine is film cooling. In this study, film cooling effectiveness was measured on the endwall of turbine blade with various types of film cooling holes. Experiments were conducted with baseline fan-shaped film cooling hole, optimal fan-shaped hole and baseline with staircase geometry. Cooling Effectiveness measurement was used by Pressure Sensitive Paint (PSP). As a result, improved film cooling holes show more increased cooling effectiveness compared to the baseline film cooling hole.

중거리 사이클 경기 후 말초부위 냉각과 활동적 페달링 회복이 피로물질 변화와 경기수행능력에 미치는 영향

손무영 ( Mu Young Son ),황봉연 ( Bong Yeon Hwang ),이대택 ( Dae Taek Le ),차광석 ( Kwang Suk Cha ) 한국스포츠정책과학원(구 한국스포츠개발원) 2012 체육과학연구 Vol.23 No.3

This study examined the effect of peripheral cooling and pedaling recovery following 2 km individual pursuit on the performance enhancement of the 500 m time trial in middle school competitive cyclists. In addition, it was examined whether changes of blood lactate level modified by the active pedaling and cooling recovery would contribute to the performance enhancement. Eight middle school competitive cyclists participated. They underwent two randomly assigned separate sessions; cooling condition (CC) and normal condition (NC). In each session, they rested seated and completed a 2 km simulated race. Then, they recovered for 30 min; 1) 10 min seated recovery with cooling (in CC) or no treatment (in NC), 2) 10 min active pedaling, and 3) 10 min seated recovery with cooling (in CC) or no treatment (in NC). Following the recovery, they competed for the 500 m simulated race. Before the race, SRM (Schoberer Rad Mebtechnik) was installed on a track cycle and individual fitting was performed. Peripheral cooling was done while the cyclist seated and submerged their two feet upto the ankle in 10℃ water. Neither difference between conditions nor interactions were found in blood lactate level. A significant interactions in body core temperature was noticed (p<0.001), but no significant changes in mean skin temperature during recovery period were found. The average pedaling power during 500 m time trial was greater in CC than NC (p<0.05). However, the maximal pedaling power and race time was not different between conditions. Collectively, the peripheral cooling following 2 km race did not reduce the blood lactate level efficiently, but the cooling improved the average pedaling power in the 500 m time trial. Based on the results, the peripheral cooling during recovery may be a contributing recovery strategy for performance enhancement. 이 연구는 중학교 사이클 선수들을 대상으로 2km 개인 추발 후 말초부위의 냉각 회복방법이 500m 독주 경주의 경기력 향상에 미치는 영향을 조사하는 것이다. 또한 활동적 페달링 회복과 냉각회복에 따른 젖산농도변화가 경기력 향상에 기여할 수 있는지 분석하는 것이다. 8명의 연구대상자들이 실험에 참여하였다. 대상자들은 냉각회복조건(Cooling Condition; CC)과 일반회복조건(Normal Condition; NC)으로 실험 전 무선배정 되었고 총 2회 실험을 하였다. 실험은 앉아서 안정, 2km 모의 경주, 회복30분(모의경주 후 10분 동안 냉각 또는 일반회복, 그 다음 10분에서 20분까지 10분 동안 활동적 페달링 회복, 그 후 20분에서 30분까지 10분 동안 냉각 또는 일반회복), 500m 모의 경주 순서로 진행되었다. 실험 전 트랙사이클에 SRM(Schoberer Rad Mebtechnik)을 장착하고 개인별로 안장과 핸들의 위치를 조정하였다. 냉각회복은 대상자들이 앉아서 10℃ 물에 발목까지 입수하는 방법이었다. 실험결과 젖산 농도는 조건과 시기사이에 상호작용이 나타나지 않았다. 심부온도는 상호작용효과가 나타났으나(p<.001), 평균피부온은 회복조건간 차이가 없었다. 500m 모의 경주에서 평균 페달링 파워는 냉각회복조건이 더 높았다(p<.05). 그러나 최대페달링파워와 경주기록에는 조건간 차이가 없었다. 따라서 중거리 경기 후 말초부위의 냉각회복은 혈중 젖산 농도를 효과적으로 감소시키지 못했지만 추후의 500m 독주 경주에서 평균 페달링 파워를 향상 시켰다. 결론적으로 말초부위 냉각회복은 경기력향상에 기여할 수 있는 회복전략이라 생각된다.

고속차량 진동이 전장장치 냉각팬에 끼치는 영향 분석

김성준(Sung Jun Kim),김연준(Yeon Jun Kim),김성태(Sung Tae Kim),이규진(Kyu Jin Lee) 한국철도학회 2016 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2016 No.5

현대의 철도차량은 속도 증가에 따른 전장장치 용량의 증가로 인하여 장치발열의 증가가 피할 수 없는 조건이 되었다. 이에 따라서 전장품 설계 및 제작 시 장치의 발열을 강제로 냉각할 수 있는 냉각장치의 설치가 점차 증가하는 추세이다. 속도가 빠른 고속차량 같은 경우 전동차량이나 경전철에 대비하여 차량내부에 더 많은 전장품 냉각장치가 설치되어 있다. 냉각방법(공기 냉각, 수냉각, 자연냉각 등)에 따라 전장장치의 냉각방법을 선정하고 검토 및 연구하는 것은 차량 설계 및 제작에 있어서 필수 사항이 되었다. 본 논문에서는 고속철도차량에서 발생하고 있는 냉각장치(특히 냉각팬)의 문제점 및 분석을 통하여 냉각장치의 개선 및 대하여 논하고자 한다. Of modern High speed train was a condition that cannot avoid an increase in the vibration. Accordingly there is a trend for increasing the installation of the cooling device capable of cooling to the force when the electrical component designs and manufacturing. If the speed of fast high-speed vehicles is a number of cooling units installed in preparation for electric cars or light rail. How to select the cooling unit on the battlefield of various cooling systems such as air cooling, cooling, natural cooling, and accordingly applicable review requirements became mandatory in vehicle design and production. In this paper, through the analysis of the problems and the cooling device (especially, a cooling fan) , which occurs in the vehicle to improve high-speed rail and discussion about the cooling.

미세격자형 냉각구조체를 적용한 사출금형의 냉각특성 향상 연구

이준원(Jun-Won Lee),오서현(Seo-Hyeon Oh),하종욱(Jong-Wook Ha),박근(Keun Park) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集A Vol.45 No.12

사출금형의 냉각회로는 통상적으로 직선형으로 가공되어 깊이가 깊은 곡면형 제품의 경우 냉각효율이 떨어진다. 최근 적층제조 기술을 적용하여 금형 표면의 곡면 형상에 근접하게 형성되는 형상적응형 냉각회로가 적용되고 있으나, 금형으로 사용하기 위해서는 추가적인 후가공이 필요하다. 본 연구에서는 금형 코어 내측에 형상적응형 냉각회로를 삽입하는 기계가공형 분할 코어를 제작하고, 수치해석 및 실험적인 고찰을 통해 냉각 성능을 분석하였다. 또한 적층제조 기술로 제작된 삼중 주기적 최소 곡면기반 냉각구조체를 삽입하여 금형을 제작하고, 기존의 기계가공형 냉각회로화의 열전달 특성을 실험적으로 비교하였다. 제작된 형상적응형 금형을 사용하여 사출성형 실험을 적용한 결과 기존 금형 대비 냉각시간을 1/4 이하로 절감할 수 있음을 확인하였다. In the injection molding process, cooling channels are usually manufactured as straight shapes and hence have low cooling efficiency for curved-shape molds. Recently, additive manufacturing technology has been applied to design conformal cooling channels close to the curved mold surfaces, which requires additional postprocessing for surface finish improvement. In this study, a milled-groove mold core is fabricated by assembling a core insert that contains conformal cooling channel, and the relevant cooling performance is analyzed through numerical simulation and experimental considerations. In addition, a composite mold is developed by inserting a cooling structure based on a triple periodic minimum curved surface (TPMS) using additive manufacturing technology, and the relevant heat transfer characteristics are experimentally compared with the results of machining-type conformal cooling channel. Injection molding experiments are performed using the composite mold assembled with the TPMS cooling structure, and the cooling time is observed be reduced to 1/4 or less compared to those of existing molds with straight cooling channels.

수냉식 냉각시스템의 성능예측 및 체계적 고찰(Ⅰ)

박동명,채준희,김영남,안태영 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

본 논문은 고발열 특성을 가진 능동형 레이더(Active Radar)를 열적으로 안정화시키기 위한 능동형 수냉식 냉각시스템(Active Liquid Cooling System, ALCS)에 대한 냉각성능 예측과 동시에 냉각성능 예측을 위한 분석적 접근방법 정립, 개발목표 충족성 검증에 관한 것이다. 본 냉각시스템은 냉각유체에 의해 레이더를 냉각시키는 냉각계통과 냉매에 의해 냉각유체를 냉각시키는 냉각계통으로 복잡하게 구성되어 단순한 3 차원 열유동 해석 만으로는 시스템에 대한 성능해석이 불가능하다. 본 논문에서는 시스템 단위에서 각각의 냉각사이클에 대한 특성을 분석한 후에, 이를 통해 부시스템 단위에서 열유동 특성과 연계한 전산유체해석(CFD)과 1 차원해석을 병행하여 냉각시스템의 성능과 레이더의 열적안정성을 예측하고 개발목표의 충족여부를 확인한다. This paper describes prediction result of cooling performance concerning ALCS(Active Liquid Cooling System) to cool Active Radar, analytical approach method to predict cooling performance, and verification of development need satisfaction. The cooling system cannot be analyzed by only three-dimensional computational fluid dynamics(CFD) analysis because of its system’s characteristic consisted of two refrigeration cycle, cooling cycle of coolant and refrigeration cycle of refrigerant. Therefore, development need satisfaction is verified by following consecutive steps; analyzing the characteristics of refrigeration cycle on system level and predicting thermal stability of Active Radar and cooling performance of Antenna Cooling Unit on subsystem level by using 1D/3D analysis.

이중벽 냉각 구조의 유출 분사비 변화와 유동 및 열전달 성능에 관한 실험적 연구

김덕형,권화빈,박희성 대한기계학회 2024 大韓機械學會論文集B Vol.48 No.5

이중벽 냉각 구조를 적용하여 연소기 라이너 냉각에 대해 실험적으로 연구하였다. 이중벽 냉각 구조에서 유출 냉각 홀의 분사각도와 형상은 30°, 실린더 형상으로 고정하였다. 분사비는 3, 4, 5, 6의 조건을 고려하였다. 트래버스 시스템을 사용하여 유동 특성을 관찰하였으며, 메쉬 히터와 저전압 고전류 전원공급장치를 사용하여 주 유동과 냉각제의 온도 차이를 주어 냉각 성능을 분석하였다. 분사비가 3에서 6으로 증가할 때, 전체 면적에 대한 냉각 성능은 12%로 향상되었으며, 중첩효과로 인한 유출 냉각 플레이트 상류보다 하류에서 냉각 성능 향상을 관찰하였다. The cooling of a combustor liner was experimentally investigated through the implementation of a double-wall cooling structure. Within this configuration, the spray angle and cylindrical shape of the effusion cooling hole were maintained at 30°. Two different blowing ratios, 3, 4, 5, and 6, were considered as operating conditions. Flow characteristics were monitored using a traverse system. The cooling performance was assessed by introducing a temperature differential between the main airflow and the coolant via a mesh heater and a low voltage, high current power supply. As the blowing ratio increased from 3 to 6, an enhancement of 12% in the cooling performance across the entire area was observed. Furthermore, an augmentation in cooling efficiency downstream of the effusion cooling plate, attributed to the overlap effect, was noted in comparison with the upstream region.

전기자동차 배터리 냉각 플레이트의 유동 형상에 따른 냉각 성능에 관한 연구

김영호(Young-Ho Kim),이주상(Joo-Sang Lee) 한국산업기술융합학회(구. 산업기술교육훈련학회) 2024 산업기술연구논문지 (JITR) Vol.29 No.1

전기 자동차에서 사용되는 리튬이온 배터리의 성능은 온도에 큰 영향을 받는다. 배터리의 안정성을 보장하고 수명을 연장하려면 배터리 발열을 냉각시켜주는 냉각 시스템이 중요하다. 따라서 과거의 공냉식보다 열전도율이 높은액체를 이용한 수냉식 시스템으로 연구 개발되고 있다. 하지만 간접 수냉식 시스템에서 중요한 냉각 플레이트의 유로 형상에 관한 연구는 부족한 상황이다. 본 논문에서는 배터리 모듈이 충방전시에 발생하는 발열을 냉각시키기 위해 간접 수냉식으로 높은 냉각 성능을 가진 냉각 플레이트의 유로형상을 찾기 위해 구조가 서로 다른 4개의 모델을 가지고 전산모사 해석을 통해 도출과 해석결과를 실험으로 검증하였다. 약간의 정체구간을 가진 1번 모델이 유동이 원활한 곡 현상 유로를 가진 2번 모델보다 냉각성능이 뛰어 나고 정체구간이 과도한 모델은 냉각 성능이 낮게 나타났다. 이는 냉각 플레이트에서의 냉각 수의 체류시간에 따른 열흡수의 영향으로 분석된다. 이러한 분석을 통해 냉각 효율이 개선됨을 확인하였고 앞으로 전기 자동차의 성능을 향상시키기 위해 현장에서 적용될 것으로 기대된다. The performance of lithium-ion batteries in electric vehicles is significantly affected by temperature. To ensure battery stability and extend its lifespan, an effective cooling system must be developed for heat dissipation. Therefore, researchers are focusing on liquid-cooled systems that use fluids with higher thermal conductivities compared with conventional air-cooling systems. However, studies regarding the flow shapes of crucial cooling plates in indirect liquid-cooling systems are scarce. In this study, the optimal flow shape of cooling plates with high cooling performance for dissipating heat generated during battery charging and discharging is determined. Four models with different structural features are analyzed via computational fluid dynamics simulations and then validated experimentally. Model 1, which features a small stagnation region, exhibits better cooling performance compared with Model 2, which features smoother curved flow paths. Models with large stagnant regions demonstrate inferior cooling performance, which is attributed to the effect of heat absorption, based on the residence time of the coolant in the cooling plate. Improvement in cooling efficiency is confirmed, which implies the feasibility of applying the model to enhance the performance of electric vehicles in the future.

항공기용 가스터빈의 고압 냉각 터빈 노즐에 대한 복합열전달 해석

김진욱,박정규,강영석,조진수 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

중소형 항공기용 가스터빈엔진 엔진 냉각터빈 노즐의 설계 검증을 위해 복합열전달 해석을 수행하였다. CMSX-4 소재의 고압 냉각 터빈 노즐에는 막냉각, 충돌냉각, pedestal, rib turbulator와 같은 냉각 요소들이 적용되어졌다. 입구조건에 연소기 출구 온도 프로파일을 적용하였고, 난류모델은 k-ω based SST를 사용하였다. 복합열전달 해석을 통하여 냉각 요소들의 조합에 따른 냉각 효과를 확인하였다. 베인 주변의 압력과 마하수 분포를 보고 충격파가 발생하는 지점이 흡입면의 뒷전 부근임을 확인하였다. 베인의 흡입면 앞전 영역에서 냉각 효과가 가장 낮았고 압력면 중간에서 냉각효과가 가장 높았다. 본 연구를 통해 고압 냉각 터빈 노즐의 표면 냉각 효과를 확인하였고, 그 결과를향후 고압 냉각 터빈의 냉각 설계에 반영할 예정이다. Conjugate Heat Transfer(CHT) analysis was performed to verify the design of the high pressure turbine nozzle cooling of gas turbine engine. The cooling components such as the film, impingement cooling, pedestal, rib turbulator were applied to a high pressure turbine nozzle made of CMSX-4. The combustor exit temperature profile was given to the inlet condition. The k-ω based SST turbulence model was used. The effect of the cooling components was checked through the CHT analysis. Checking the pressure and Mach number around the vane, the shock occurred at the trailing edge region of suction side. The lowest cooling effectiveness was revealed at the leading edge of suction side. At the middle of pressure side, the highest cooling effectiveness was appeared. The thermal tendency of the cooled vane surface was checked. This results will be applied at the redesign of the high pressure cooling turbine.