한국산업정보학회논문지 (Journal of Korea Society of Industrial Information Systems)

한국산업정보학회 (Korea Society of Industrial Information Systems)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

수중 고온 단일 기포의 열전달 해석 연구

A Study on the Heat Transfer Analysis of High-Temperature Single Bubble in Water

  • 윤석태 (동의대학교 함정적외선신호연구소)
  • 투고 : 2023.10.31
  • 심사 : 2023.11.17
  • 발행 : 2024.02.29
PDF 다운로드
⟨ 이전 논문 다음 논문 ⟩

초록

수중에서 발생한 기포는 주변 유체의 밀도와 압력 차이에 의해 상승하는 부력을 받는다. 또한 주변 유체와의 점성, 표면장력, 상승 속도 그리고 크기 차이에 따라 기포의 거동, 형상, 열교환 과정 등이 달라진다. 본 연구에서는 원기둥 수조 내 상승하는 고온 단일 기포의 속도 그리고 열전달 해석에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 이론적 식을 통해 기포의 속도 그리고 온도 등을 계산하여 수치 해석 결과와 비교하기 위한 자료를 설정하였다. 그리고 상용 프로그램으로 수치 해석을 수행하였으며, 격자의 변화에 따른 수치 해석 결과의 안정성을 격자 수렴성 지수 계산을 통해 확인하였다. 수치 해석 결과 단일 기포의 상승 속도와 온도는 최소 격자의 크기가 기포 지름의 1/160이 될 때 수렴성을 보였으며, 온도 감소는 0.05초 이내에 주변 유체와 동일한 수준으로 감소하는 것을 확인하였다.

Bubbles generated in water receive an upward buoyant force due to the density and pressure difference of the surrounding fluid. Additionally, the behavior, shape, and heat exchange process of bubbles vary depending on the viscosity, surface tension, rising speed, and size difference with the surrounding fluid. In this study, we modeled speed, and heat transfer of a high-temperature single bubble rising in a cylindrical water tank. For this purpose, velocity, and temperature of the bubbles were calculated using theoretical equations, to be compared with numerical simulation results. The numerical analysis was performed using a commercial software, and the stability of the numerical analysis with mesh size was confirmed through calculation of the grid convergence index. The numerical analysis of the rising speed and temperature of a single bubble showed the values to converge when the minimum cell size was 1/160 of the bubble diameter, and the temperature decrease was confirmed to be the same as that of the surrounding fluid within 0.05 seconds.

키워드

참고문헌

  1. A. B. Luz, T. H. Lee (2010). Single bubble rising dynamics for moderate Reynolds number using lattice Boltzmann method, Computers and Fluids, 39.
  2. A. J. Robinson, R. L. Judd(2004). The dynamics of spherical bubble growth, Journal of Heat and Mass Transfer, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2004.05.023
  3. B. G. Paik, G. T. Yim, K. S. Kim, K. Y. Kim, Y. C. Kim (2015). Visualization of Microbubbles Affecting Drag Reduction in Turbulent Boundary Layer, Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 52(4), https://dx.doi.org/10.3744/SNAK.2015.52.4.356
  4. Ehsan Samiei, Mehrzad Shams, Reza Ebrahimi(2011). A novel numerical scheme for the investigation of surface tension effects on growth and collapse stages of cavitation bubbles, European Journal of Mechanics B/Fluids, 30, 41-50, https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2010.09.002
  5. M. M. Larimi, A. Ramiar (2018). Two-dimensional bubble rising through quiescent and non-quiescent fluid : influence on heat transfer and flow behavior, International Journal of Thermal Sciences, 131, 58-71, https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.05.031
  6. M. T. Islam, P. Ganesan, J. N. Sahu, M. N. Uddin, A. Mannan (2015). A Single Air Bubble Rise in Water : A CFD study, Mechanical Engineering Research Journal, 9, 1-6.
  7. P. J. Roache(1994). Perspective: A Method for Uniform Reporting of Grid Refinement Studies, Journal of Fluids Engineering, 116, https://doi.org/10.1115/1.2910291
  8. R. Clift, J. R. Grace, M. E. Weber(2005). Bubbles, Drops and Particles, Academic press.
  9. S. S Paramanantham, C. T. Ha, W. G. Park (2018). Numerical investigation of single and multiple bubble condensing behaviors in subcooled flow boiling based on homogeneous mixture model, International Journal of Mechanical Sciences, https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2017.12.040
  10. S. Y. Ryu, C. T. Park, S. Y. Han, S. H. Ko (2010). Two-dimensional Numerical Simulation of the Rising Bubble Flows Using the Two Phase Lattice Boltzmann Method, International journal of fluid machinery and systems, 13(4), 31-36, https://doi.org/10.5293/KFMA.2010.13.4.031
  11. T. H. Yi, Z. S. Lei, J. F. Zhao (2019). Numerical investigation of bubble dynamics and heat transfer in subcooling pool boiling under low gravity, International Journal of Heat and Mass Transfer, 132, 1176-1186, https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.096
  12. Z. Zhou, X. Cheng, K. Peng, L. Zhang, X. Shao (2022). Numerical study on the deformation of a gas bubble in uniform flow, Ocean Engineering, 254, https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.111164.