A pair of flexible flags clamped vertically in an air cooled heat sink channel was numerically modeled to investigate the dynamics of the flexible flags and their effects on heat transfer enhancement. The penalty immersed boundary method was adopted to analyze the fluid-structure-thermal interaction between the surrounding fluid and the flexible flags. The flexible flags displayed three distinct movement modes: a flapping mode, a fully-deflected mode, and an irregular mode that depended on the relationship between the hydrodynamic force and the restoring force. In the flapping mode, vortices shed from flexible flags merged and increased in magnitude. The merged vortical structures swept out the thermal boundary layer and enhanced thermal mixing between the fluid near the heated wall and the channel core flow. In this study, heat transfer enhancement and mechanical energy loss by pressure drop penalty were simultaneously considered in order to analyze the thermal efficiency. Compared to rigid flags, the flexible flags significantly improved the thermal efficiency. The effects of the bending rigidity, channel height, and Reynolds number on the thermal efficiency were observed, and an optimal parameter set was obtained. The correlation between the vorticity and the temperature field was examined in detail using the dynamic mode decomposition (DMD) method.
본 학위논문에서는 공랭식 히트 싱크 채널 벽면에 수직으로 고정 된 한 쌍의 깃발(연성체)의 운동 특성과 깃발의 운동 특성에 따른 열 전달 향상에 대한 수치모사 결과를 나타낸다. 벌칙 가상 경계법을 이용하여 유체-고체-열 상호작용을 분석하였다. 깃발은 동유체력과 깃발의 복원력의 관계로부터 세 가지의 운동 특성(플래핑 방식, 완전-굽힌 방식, 불규칙한 방식)을 보였다. 깃발의 끝 단으로부터 흘러나온 와류 구조들은 후류에서 합쳐지고 회전운동량의 세기가 증가하여 벽면으로부터 가열 된 유체들을 채널 중심으로 유도한다. 본 연구에서 열 효율에 관해 전열 성능 향상과 압력손실을 동시에 고려한다. 변형이 없는 깃발에 비교하여 연성을 가지는 깃발이 포함된 시스템의 효율이 우수하다는 결과를 얻었다. 열 효율 면에서 유리한 조건을 선별하기 위해, 채널 높이, 레이놀즈 수, 깃발의 굽힘강성에 관한 수치상 매개변수적 연구를 수행하였다. 후류장에서 와류 구조와 온도장 사이의 상관관계를 살펴보기 위해 동적 모드 분해 방법을 적용하였다.
