ANSYS CFX를 사용하여 얇은 고체 구조물을 통한 열전달을 고려해야 하는 경우, 얇은 고체 구조물을 포함하여 계산하면 해석에 있어 효율적인 열전달 해석 tip을 알려드리고자 합니다.

▶ [Design Modeler Parameter] 

수많은 파이프 혹은 튜브가 배열된 shell 타입 열교환기에 대한 열유동 해석처럼 얇은 고체 구조물을 통한 열전달을 고려해야 하는 경우, 얇은 고체 구조물을 포함하여 계산하면 해석에 과도한 격자가 필요할 수 있습니다. 

Thin Wall Modeling은 이러한 문제점을 피하기 위한 방법으로, 얇은 고체 구조물에 대한 형상(격자)을 포함하지 않고 실제 구조물의 물성과 두께를 반영하여 열전달 해석을 수행합니다.  

아래 그림 1의 바깥쪽 관로에는 온수, 안쪽 관로에는 냉수가 대향류를 이루는 이중의 원형 단면 관로를 가진 유동장을 나타내고 있습니다. 이때, 두 흐름의 사이에 위치하는 관로 벽을 통한 열전달을 모사하기 위해 다음의 두 가지 방법을 사용할 수 있으며, 각 방법을 적용하여 계산을 수행하고 그 결과를 비교하고자 합니다.

1. 열전달이 관로 벽면의 물성치와 두께에 의해 정의되는 경우

2. 열전달이 관로 벽면에 대한 열저항계수에 의해 정의되는 경우 

이러한 계산 조건에 대해 표 1은 Thin Wall 모델 적용 방법 별 입력 자료를 정리한 것이고, 그림 2는 해석을 위한 경계 조건을 정리한 것입니다.

그림. 1 해석 영역

표. 1 해석을 위한 경계조건

그림. 3 Fluid_Fluid Interface 설정

그림. 4 열전달이 관로벽면의 물성치와 두께에 의해 정의되는 경우

그림. 5 열전달이 관리벽면에 대한 열저항계수에 의해 정의 되는 경우

그림. 6은 Cold_Domain의 온도장에 대한 그림을 나타낸 것으로 두 가지 설정 방법 결과가 단면에서의 온도 분포가 동일한 것을 볼 수 있습니다. 이는 그림. 7에서 볼 수 있듯이 온수 영역에서도 유사한 경향을 확인할 수 있으며, 이는 그림 8의 그래프를 통해 더욱 확실하게 파악할 수 있습니다. 

그림. 8은 온수가 들어오는 입구쪽에서 X 방향으로 온도 분포를 확인한 그래프입니다. 두 경우의 결과 값이 거의 일치하는 온도 분포가 나타나는 것을 확인할 수 있습니다. 

따라서 해석 시 상황에 따라 두 가지 중 용이한 접근 방법을 선택하여 적용하면 됩니다. 

그림. 6 냉수 영역에 대한 온도장 (좌 : 열전달이 관로벽면의 물성치와 두께에 의해 정의되는 경우, 우 : 열전달이 관로벽면에 대한 열저항계수에 의해 정의되는 경우)

그림. 7 온수 영역에 대한 온도장 (좌 : 열전달이 관로벽면의 물성치와 두께에 의해 정의되는 경우, 우 : 열전달이 관로벽면에 대한 열저항계수에 의해 정의되는 경우)

 

 

 

 

그림. 8 Hot_water 입구에서 X축을 따라 측정한 온도 변화

그림. 10 상부 위치에서의 속도장 (좌 : 열전달이 관로벽면의 물성치와 두께에 의해 정의되는 경우, 우 : 열전달이 관로벽면에 대한 열저항계수에 의해 정의되는 경우)