Technote

[FKFU-A236-18-A] OneD Heat Transfer 컴포넌트 사용방법

작성자
플로우마스터코리아
작성일
2021-07-14 16:12
조회
47
유체의 온도는 밀도와 점성에 영향을 미치며 가스의 경우 압축성과 압력에도 효과를 나타냅니다. 따라서 유체의 온도에 따라 유량 및 압력에 차이를 나타냅니다. Heater 및 Cooler 외에도 파이프 외부와의 열교환을 통해 유체의 온도가 변경될 수 있습니다. 특히, 파이프 내 유체 온도와 외부 온도의 차가 클수록 또는 외부 heat source가 강할수록 유의미한 유체 온도 변화를 야기합니다. 따라서 파이프 외부와의 열교환 역시 중요한 모델링 고려사항 중 하나입니다.
Simcenter Flowmaster 2020.2 버전부터 파이프 외부 열교환을 모델링할 수 있는 새로운 컴포넌트 “1D Heat Transfer Rate Profile”과 “1D Temperature Profile”, “Pipe Run”이 추가되었습니다. 새로운 OneD Heat Transfer 컴포넌트는 기존 파이프 외부 열교환 모델링보다 더욱 상세하게 모델링할 수 있습니다. Profile 컴포넌트와 Pipe Run 컴포넌트를 조합하여 파이프의 위치와 시간에 따라 온도 또는 열량을 적용할 수 있으며, Pipe Run 컴포넌트를 조합하여 파이프 간의 열교환을 모델링할 수 있습니다.
이번 Technote에서는 새로이 추가된 OneD Heat Transfer 컴포넌트의 사용방법을 다뤄보겠습니다.

Solution

1.Pipe



OneD Heat Transfer 컴포넌트를 사용하기 전에 Pipe 컴포넌트에서 External HTC 데이터가 반드시 정의되어야 합니다. 해당 데이터는 Heat Transfer Data (Sub-form)에서 설정할 수 있습니다.

External HTC 데이터가 필요한 이유로는, OneD Heat Transfer 컴포넌트가 외부 소스가 파이프 근처에 있으며 대류를 통해 파이프 외벽으로 열전달이 일어나는 상황을 모델링하기 때문입니다.
파이프 외부 HTC는 환경에 따라 크게 바뀔 수 있기 때문에, 해석의 자유도를 위하여 변수 값으로 정의됩니다.
(※외부 소스가 파이프에 직접 접촉하여 열전달이 일어나는 경우 Solids > Thermal Bridge를 통해 모델링할 수 있습니다.)

이 외에 추가적으로 다음의 데이터를 정의할 수 있습니다.
    • Pipe Thermal Properties → Pipe Wall Thickness, Pipe Material Type : 파이프 두께 및 재질 (Not set 시 파이프의 전도 효과가 무시됩니다.)
    • Pipe Thermal Properties → Insulation Thickness, Insulation Material Layer : 단열재 두께 및 재질 (Not set 시 단열재의 전도 효과가 무시되며, 최대 3가지의 단열재를 정의할 수 있습니다.)
    • Heat Transfer Data → Number of Internal Nodes : 파이프 내부 유체 온도 계산을 위한 node 개수 (Not set 시 압력 계산을 위한 node와 동일하게 정의되며, node 수가 많을수록 정확한 결과를 나타내지만 그만큼 시간 및 리소스를 소비합니다.)
2.Pipe Run



Pipe Run 컴포넌트는 열전달을 적용할 Pipe 컴포넌트를 정의하며, Pipe 컴포넌트 외에도 Bend나 Transition 등의 컴포넌트를 입력할 수 있으나, 열전달은 Pipe 컴포넌트에서만 적용/해석됩니다.
Profile 컴포넌트의 신호를 받아 Pipe 외부 표면에 적용합니다. 또한, Pipe Run끼리 연결하여 근접한 파이프 간의 열교환을 모델링할 수 있습니다.



Pipe Run 컴포넌트의 input data로는 List of Component와 Arm Number at Minimum Length가 있습니다.
    • List of Component :
      열전달을 적용할 Pipe의 컴포넌트 넘버를 입력하는 항목입니다.
    • Arm Number at Minimum Length:
      Pipe Run에 입력된 신호가 적용될 시작점 및 방향을 의미하며, Arm 넘버를 입력합니다. 입력 신호 정의가 Pipe 상에서 Arm 1에서 2 방향으로 정의되었다면 Arm Number at Minimum Length는 1이 되며, Profile 정의가 반대 방향 Arm 2에서 1 방향이면 Arm Number at Minimum Length는 2가 됩니다.
Pipe Run 2개를 이용하여 근접한 파이프 간의 열전달을 모델링할 수 있습니다. 이 경우 두 Pipe Run의 Arm Number at Minimum Length를 적절히 정의하여 열전달 정의의 시작점을 일치시켜야 합니다.



3.1D Heat Transfer Rate Profile



1D Heat Transfer Rate Profile 컴포넌트는 외부 Heat Flow 소스를 나타냅니다.



3가지 입력 데이터 중 1가지를 정의하여 사용합니다.
    • Heat Transfer Rate per Unit Length :
      Pipe 컴포넌트 전체에 대해 일정한 Heat flow
    • Heat Transfer Rate per Unit Length v Length :
      Pipe 컴포넌트의 위치에 따라 정의된 Heat flow
      • 2D curve - X axis: length / Y axis: Heat Flow Rate
    • Heat Transfer Rate per Unit Length v Length & Time :
      Pipe 컴포넌트의 위치와 시간에 따라 정의된 Heat flow
      • 3D surface - X axis: length / Y axis: Time / Z axis: Heat Flow Rate
입력값이 양수의 경우 파이프 외부에서 내부로 열이 전달(heating)되며, 음수의 경우 파이프 내부 열을 흡수(cooling)됩니다.

1D Heat Transfer Rate Profile 컴포넌트를 Pipe Run 컴포넌트와 연결하여 사용합니다.

Profile의 입력 데이터가 Pipe 컴포넌트 위치에 따라 정의되었을 경우 length가 0인 곳이 Profile 데이터가 적용되는 시작점이며, 이에 맞추어 Pipe Run 컴포넌트의 Arm Number of Minimum Length 값을 매칭시켜주어야 합니다.



4.1D Temperature Profile



1D Temperature Profile 컴포넌트는 외부 온도를 나타냅니다.



3가지 입력 데이터 중 1가지를 정의하여 사용합니다.
    • Temperature :
      Pipe 컴포넌트 전체에 대해 일정한 온도
    • Temperature v Length :
      Pipe 컴포넌트의 위치에 따라 정의된 온도
      • 2D curve - X axis: length / Y axis: Temperature
    • Temperature v Length & Time :
      Pipe 컴포넌트의 위치와 시간에 따라 정의된 온도
      • 3D surface - X axis: length / Y axis: Time / Z axis: Temperature
1D Temperature Profile 컴포넌트를 Pipe Run 컴포넌트와 연결하여 사용합니다.

Profile의 입력 데이터가 Pipe 컴포넌트 위치에 따라 정의되었을 경우 length가 0인 곳이 Profile 데이터가 적용되는 시작점이며, 이에 맞추어 Pipe Run 컴포넌트의 Arm Number of Minimum Length 값을 매칭시켜주어야 합니다.



※Network 예시 및 결과는 Sample System “One Dimensional Heat Transfer”를 참고해주십시오.
(Simcenter Flomaster 2021.1 버전부터 있습니다.)
※OneD Heat Transfer 외 다른 파이프 외부 열전달은 technote [FKFU-A215-18-A] External Heat Transfer at Pipe/etc. 를 참고해주십시오.

 

 

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