The time-dependent heat transport phenomena in the non-uniform porous media, which are frequently encountered situations in the modern technological applications of the porous media, is investigated by the experimental endeavors.
A study is made of the thermal response of heterogeneous porous body cooled by steady throughflow. In the transient cool-down of the homogeneous porous media packed with spheres, the temperature of the air flow in the porous media are represented by the dimensionless time τ in the convection dominant flow. As Reynolds number decreases, the heat conduction to the upstream becomes dominant and causes the local nonuniform heat transport in the porous media. The cool-down characteristics of heterogeneous media are strongly affected by the geometrical and compositional arrangement and thermophysical properties of the components of porous materials. The impact of the conditions in the upstream-side region on the behavior of the downstream-side region is noticeable, but not vice versa. However, the overall heat transfer between the entire porous body and the throughflow is less affected by the local conditions of the make-up and properties of the media. For the sake of operational cost, the present homogeneous and heterogeneous porous body is to be run over times until τ~O(1) after the start-up, since the major transient process is accomplished over the characteristic time scale τ~O(1).
The effect of pulsating flow on the transient cool-down of the homogeneous porous body is delineated. The temperature evolutions inside the porous medium indicate that the global heat transfer characteristics are little changed by the introduction of flow pulsation if the amplitude is small so that no reverse flows are induced. For the parameter ranges of present concern, the existing heat transport correlations based on the conventional non-pulsating flows can produce adequate approximations. When the pulsation amplitude is large so that reverse flows are present, the global heat transfer between the porous medium and the throughflow becomes less effective than for the case of the corresponding non-pulsating flow. For a given amplitude, the heat transport rate from the porous material decreases as the pulsation frequency decreases.
The effective thermal conductivity and the permeability of aluminum foam material are measured to find the candidate for maximizing the heat transfer enhancement. The effective thermal conductivities are found to be increased with a decrease in the porosity while the effective thermal conductivities are little affected by the cell size at the fixed porosity. The pressure drop is strongly affected by the cell size as wellas the porosity. The fact that the minimum pressure drop is obtained at the porosity 0.94 with a given cell size implies that the effect of the porosity on the pressure drop as well as on the effective thermal conductivity should be considered for maximizing the heat transfer enhancement. A correlation of the friction factor $f=Re_K^{-1}+0.105$ is proposed based on the permeability and Ergun's coefficient for the aluminum foam metal.
Finally, The convective heat transfer by the aluminum foam material in channel flow is examined. The Nusselt number for the isotropic foam metal can be correlated by the Darcy number. It is confirmed that the convective heat transfer by the aluminum foam material can be predicted by the permeability of the foam material, which can be determined directly from the pressure drop measurement of the throughflow. The impacts of the non-isotropic foam structures fabricated by the drilled holes through the isotropic aluminum foam are investigated in the point of view for the reduction of the pressure drop in channel flow. The convective heat transfer enhancement against the friction factor in the non-isotropic foam metal is more substantial with the configuration of the straight holes along the centerline than with other configuration. The spacing between the holes for the highest convective heat transfer characteristics against the friction factor is around S=3.5 mm in the present study. As the hole diameter dincreases, substantial heat transfer enhancement is obtained because of much reduced pressure loss than the decrease of heat transfer rate. The non-isotropic foam metal with the hole diameter of d=1.5 mm maintains the convective heat transfer at the similar level in the isotropic foam metal while it reduces the friction factor substantially.'
다공물질의 적용분야가 크게 확장됨에 따라 최근의 기술적인 응용문제에서 흔히 발견할 수 있는 상황이 채널이나 파이프와 같은 관류중에 놓인 비균질 다공물질의 비정상 열전달현상이다. 이와 같은 현상을 연구하기 위해 균질과 비균질 다공물질이 시간에 따라 변하는 관류에 놓인 경우에 대해 비정상 열전달현상인 열응답 특성과 채널내의 등온조건을 가지는 벽면과 부착된 비등방성 다공물질에 의한 강제대류 열전달 특성을 실험적인 방법을 통해 고찰하였다.
구로 채워진 다공물질의 비정상 냉각현상을 살펴보면, 다공물질을 통과하는 공기의 온도변화는 대류열전달이 지배적인 영역에서는 다공물질의 고체매질과 유체의 열용량의 비로서 표시되는 무차원시간 τ에 의해 표현될 수 있다. 레이놀수 Re가 감소하면 다공물질 상류로의 열전도현상이 크게 증가하여 다공물질 내부의 열전달현상이 위치에 따라 불균일하게 나타났다.
비균질 다공물질의 냉각특성은 이를 구성하는 다공물질의 기하학적 형상의 조합과 열물성치의 조합에 의해 크게 영향을 받았다. 비균질 다공물질의 상류영역에 위치한 다공물질의 열전달특성이 후류의 다공물질의 열전달특성을 지배하게 되지만 후류의 상류에 대한 영향은 미미하였다. 그러나, 전체 다공물질과 그를 통과하는 관류와의 전체적인 열전달특성은 각각의 다공물질의 위치에 따른 영향을 받지 않았다. 열물성치가 같고 크기가 다른 구로 이루어진 비균질 다공물질의 경우에는 단위부피당 표면적의 영향에 의해 전체적인 열전달현상이 변화하며, 크기가 같지만 열물성치가 다른 구로 이루어진 비균질 다공물질의 경우에는 열용량에 의해 전체적인 열전달현상이 변화한다. 이와 같이 다공물질내의 관류에 의한 대부분의 비정상 열전달이 무차원 시간 τ~O(1)까지 마무리 되므로 다공물질을 열에너지 저장장치에 응용하는 경우, 운용의 비용적인 측면에서 균질과 비균질 다공물질 모두 무차원 시간 τ~O(1)까지 가동하는 것이 경제적이다.
다공물질을 통과하는 유동이 비정상 상태인 맥동유동인 경우, 다공물질과 맥동유동과의 비정상 열전달현상은 맥동유동의 진폭이 1보다 작은 경우와 1보다 크게 되어 열류가 존재하는 경우로 구분할 수 있다. 진폭이 1보다 작아 역류가 발생하지 않은 경우에는 맥동유동의 진폭과 주파수의 영향은 미미하고 맥동유동이 아닌 정상유동의 경우와 거의 같은 열전달특성을 보임을 확인하였다. 진폭이 1보다 크게 되어 역류가 존재하는 영역에서는 열전달률이 감소하였으며 주파수가 작아질수록 그리고 진폭이 커질수록 열전달률의 감소가 크게 나타났다.
다공물질의 일종인 발포금속에 의한 대류 열전달 촉진현상의 해석에 필수적인 물성치인 유효열전도도와 침투율을 측정하여 발포금속의 기하학적인 특성과 열전도와 압력손실 특성의 관계를 연구하였다. 유효열전도도는 발포금속의 다공도가 작아질수록 증가하며 셀크기의 영향은 미미하였다. 또한 압력 손실량은 셀크기가 증가할수록 감소하였고 다공도 0.94에서 가장 낮은 값을 나타냈다. 이 현상은 실험에 사용한 발폭금속의 제조과정에 따른 셀의 형상 변화에 의한 것이다. 발포금속의 압력손실을 나타내는 마찰계수는 발포금속의 침투율에 의해 셀의 크기와 다공도에 관계없이 하나의 방정식으로 표시될 수 있었다.
채널내의 등방성 발포금속이 채워진 경우의 강제대류열전달현상을 연구하였다. 대류 열전달특성을 나타내는 Nu수는 Da수에 의해 표현되었다. 이것은 발포금속을 통과하는 유동의 압력손실량을 측정하여 침투율을 구하면 이 발포금속에 의한 채널내의 대류 열전달특성을 예측할 수 있음을 의미하는 것이다.
마지막으로 위와 같은 채널 유동에서 천공작업에 의해 등방성 발포금속내에 형성된 방향성 구멍이 대류 열전달과 압력손실특성에 미치는 영향을 연구하였다. 이것은 다공물질의 열전달량의 감소는 최소화 하는 대신 다공물질의 큰 표면적/부피비에 의한 과도한 압력손실량을 최대로 감소시키려는 시도로써 이루어 졌다. 이와 같은 비등방성 발포금속에 의한 압력손실량의 감소를 기준으로 하여, 중심선에 일직선으로 배열된 관통형 구멍 형상에서 가장 큰 효과를 얻을 수 있었다. 또한 구멍사이의 간격의 변화를 통해 구멍의 크기가 일정한 경우 구멍 간격이 약 3.5 mm일 때 최고의 효과를 얻을 수 있었으며, 간격이 일정한 경우에는 구멍이 커질수록 압력손실량의 감소가 열전달량의 감소보다 더 크게 됨을 알 수 있었다.
