서지주요정보
시간주기적 벽면온도 밀폐용기 내부의 부력대류에서의 형상영향 = Effect of aspect ratio on buoyant convection in an enclosure with a time-varying sidewall temperature
서명 / 저자 시간주기적 벽면온도 밀폐용기 내부의 부력대류에서의 형상영향 = Effect of aspect ratio on buoyant convection in an enclosure with a time-varying sidewall temperature / 박상현.
저자명 박상현 ; Park, Sang-Hyun
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2007].
Online Access 원문보기 원문인쇄

소장정보

등록번호

8018129

소장위치/청구기호

학술문화관(문화관) 보존서고

MME 07001

휴대폰 전송

도서상태

이용가능

대출가능

반납예정일

초록정보

A numerical study is performed for natural convection of an incompressible air in an enclosure under sidewall time-varying temperature. Comprehensive numerical solutions to the Navier-Stokes equations are acquired for a 2-dimensional Boussinesq fluid. Natural convection occurs when the two vertical sidewalls are maintained at different temperatures and the other walls are thermally insulated. To this study, the previous works [7-8] about the resonance by one sidewall time-periodic temperature are considered. First, to study the control of resonant enhancement, the concept of both sidewall time-varying temperatures which have a different phase between cooling wall and heating wall is adopted. The results make it possible to acquire easily controlled resonance which is larger or smaller than those of the previous works. The physical mechanism of controlled resonance is delineated by examining the evolution of oscillating components of flow and temperature fields. Rayleigh number and Prandtl number is fixed at $10^7$ and 0.7. Second, to study the effect of aspect ratio and Rayleigh number, the procedures which find the existence of resonance, compare to relative quantities of resonance, and make a overall chart depending on various aspect ratio and Rayleigh number are practiced. To find the existence of resonance, a numerical study of over fifteen frequencies is performed. The comparisons of relative quantities of resonance are accomplished by showing maximal amplification of the fluctuations. Conclusively, the overall chart on aspect ratio and Rayleigh number is made.

밀폐 용기내부의 측벽 온도차에 따른 자연 대류 현상은 지금껏 공학적 시스템에서의 문제뿐만 아니라 다양한 산업 현장에서의 응용성으로 인하여 많은 연구가 행해졌다. 특히나 중력장 하에서 시스템의 열적 경계 조건이 주기적으로 변화하는 경우에 대한 연구들[1-9]이 많이 수행되어 왔으며, 더욱이 시스템 내부 공진 현상의 존재로 인해 더욱 활발한 연구가 수행되고 있다. 또한 이러한 비정상 상태의 공진 현상은 자연대류에 있어 효과적으로 대류현상과 열전달 효율을 증가시킬 수 있는 수단임이 증명되어 왔다. 공진 현상에 대한 발견은 Lage & Bejan[1]에 의해 처음으로 논의 되었다. 그는 밀폐용기에 시간에 따라 변하는 heat flux를 시스템에 가함으로써 내부에서의 이상 증폭현상을 확인하였고, 나아가 시스템 내부에서 유동과 열전달율 변화 진폭이 최대가 되는 현상을 공진이라 정의 하였다. Antohe & Lage[4-5]는 heat flux의 진폭 변화에도 공진에 거의 영향을 미치지 않아 공진이 시스템의 고유 진동수에만 관계 있음을 밝혔다. 이후 Kwak & Hyun[7]과 Kwak & Kuwahara[8]는 좀더 개량된 방법으로 밀폐 용기의 고온측벽 온도가 주기적으로 변화하는 경우에 대하여 연구하여 역시 용기중심에서 열전달율 변화 진폭이 최대가 되는 공진 현상을 확인하였다. 이때 Kwak & Hyun[7]은 공진현상이 성층화된 시스템이 가지는 internal gravity oscillation를 자극하여 발생함을 주장하였고 이것을 기초로 실제 공진 주파수에 대한 아주 근접한 공진 주파수를 예측하였다. 이러한 앞선 연구들[1-9]을 바탕으로 일반적으로 공진 현상은 외부 가진력이 시스템의 고유 진동 모드를 자극 하여 발생 하는 것으로 고유 진동 모드만 자극 할 수 있다면 가진력의 종류와 크기에 관계없이 공진을 유도할 수 있음이 밝혀졌다. 그리하여 Kondos & Surba[10]와 Kim & Hyun[11]등은 열적 가진 보다 제어측면에서 용이하다는 점을 적용 기계적 가진을 이용하여 열적 가진 보다 제어측면에서 용이하다는 점을 적용 기계적 가진을 이용하여 열적 가진 에서와 마찬가지로 특정 주파수 영역에서 내부 공진이 일어나는 현상을 확인하였으며, Tagawa & Ozoe[12]는 magnetizing force가 buoyancy force와 비슷한 역할을 한다는 원리를 바탕으로 자연대류에 있어 다양한 유동 현상들에 대하여 연구 해왔으며 내부 공진에 대한 연구의 길을 열어 놓았다. 하지만 지금껏 수치해석의 편의성과 공진에 대한 원론적인 접근으로 제한된 형상의 용기, 즉 대부분 정 사각 cavity 내에서의 공진 현상에 대한 해석만이 연구 되어 왔으며 다양한 형상에 대한 자연대류 연구[13-15]는 공진해석에 있어서는 연구가 미비한 실정이다. 뿐만 아니라 외부 가진력의 진폭 크기에서의 개연성만을 갖고 공진 크기에 대해 연구를 해왔다. 하지만 이러한 문제는 앞선 연구[11]에서도 알 수 있듯이 가진력의 진폭 조절은 비선형 영역이라는 문제를 발생 시킨다. 또한 큰 공진효과를 얻고자 가진력의 변화 진폭을 크게 하는 것은 현실적인 어려움이 따른다. 이러한 문제를 해결하고 발전 시켜가기 위하여 다양한 형상크기에 대한 공진현상의 발견 및 공진의 크기를 연구해보자 하며 또한 지금껏 주된 관심을 갖고 연구되어온 고온 측벽의 온도 가진과 더불어 저온 측벽 부위의 온도가진을 통한, 즉 양 측벽의 동시 가진을 통한 내부 공진 현상을 연구함으로써 원하는 크기의 공진을 얻고자 하는, 공진제어 개념에 기여하고자 한다. 앞서 언급한 것처럼 본 연구에서는 두 수직 측벽의 온도가 각각 $\overline{T_H}$와 $\overline{T_C}$, $\Delta T(=\overline T_H-\overline T_C)$>0 이고 나머지 벽면들은 단열되어 있으며, 균일한 중력장에 놓인 기본적인 측벽 온도차를 가지는 용기를 조건으로 하여 크게 두가지 관점을 중심으로 연구를 수행하였다. 첫째는 양쪽 벽면으로 시간에 따라 주기적으로 변하는 온도장을 경계조건으로 주어, 고온 벽과 저온 벽의 시간주기적 온도변화의 위상차를 통한 시스템 내부의 공진 증폭에 대한 제어를 시도하였다. 둘째는 자연대류의 열전달에 있어 중요한 요소인 aspect ratio (Ar = H/L)와 Rayleigh number $(Ra = \alpha{g}\Delta{TH^3}/vk)$에 따른 시스템 내부의 공진현상의 존재와 공진주파수의 확인 그리고 공진을 야기시키는 물리적 특성을 파악하는데 초점을 맞추고 유동과 열전달에 관한 전반적 결과를 도표화 하고자 시도하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 07001
형태사항 viii, 41 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Sang-Hyun Park
지도교수의 한글표기 : 현재민
지도교수의 영문표기 : Jae-Min Hyun
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 39-41
주제 형상비
부력대류
밀폐용기
벽면온도
aspect ratio
buoyant convection
enclosure
sidewall temperature
QR CODE qr code