이상폐쇄열사이펀에서 물질전달계수에 대한 전산유체역학 연구
Numerical Investigation of Mass Transfer Coefficients in a Two-Phase Closed Thermosyphon
- 주제(키워드) .
- 발행기관 한동대학교 일반대학원
- 지도교수 이권영
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계제어공학과
- 세부분야 해당없음
- 원문페이지 vi,55
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/handong/200000972362
- UCI I804:47030-200000972362
- 본문언어 영어
- 저작권 한동대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
이상폐쇄 열사이펀의 상변화 해석에 널리 사용되는 증발–응축(Lee) 모델에서 질량전달계수를 결정하기 위한 개선된 방법을 제안하였다. 초기 연구들에서는 질량전달계수에 0.1의 상수값을 사용하는 경우가 많았으나, 이러한 가정은 비전도성 유체, 유기 유체, 냉매 등 물 이외의 작동 유체를 사용할 때 상당한 오차를 초래하였다. 이에 본 연구에서는 라플라스 길이, 잠열, 표면장력, 증기 밀도와 같은 열물성을 비교 인자로 도입하여, 유체별 특성을 반영한 질량전달계수를 결정하는 방법을 적용하였다. 이를 위해 R134a, 아세톤, HFE-7100, R1336mzz(Z) 등 네 종류의 비수계 작동 유체에 대해 상변화 전산유체역학(CFD) 해석을 수행하였으며, 그 결과를 실험 데이터와 기존 연구와 비교하였다. 기본값인 0.1을 사용한 경우와 달리, 본 연구에서 제안한 질량전달계수를 적용하면 온도와 압력이 시간에 따라 안정적으로 수렴하는 것을 확인하였다. 그 결과, 실험값 대비 온도 오차는 R134a 6.4 K, 아세톤 5.6 K, HFE-7100 2.6 K, R1336mzz(Z) 2.2 K 수준으로 나타났다. 또한 질량전달계수의 변화에 따라 각 입력전력에서 액상 유동 양상이 달라지는 것이 확인되었으며, 이는 각 작동 유체에 대해 수행한 유동 가시화 실험 참조문헌을 통해 검증되었다. 이와 같은 결과는 질량전달계수가 증발부와 응축부의 유동 양상 및 온도 분포에 큰 영향을 미치며, 비수계 작동 유체의 질량전달계수를 적절히 조정하는 것이 필수적임을 보여준다. 마지막으로, 제안된 방법론은 다양한 작동 유체와 기하 형상에 대해 Lee 모델을 적용할 때 질량전달계수 설정을 위한 가이드라인을 제공하는 것을 목표로 한다.
more초록/요약
An improved method was developed for determining the mass transfer coefficients in the evaporation–condensation model, which is widely used for simulating phase changes in two-phase closed thermosyphons. In early studies, a constant value of 0.1 was often adopted for the mass transfer coefficients; however, such assumptions led to significant discrepancies when working fluids other than water, such as dielectric fluids, organic compounds, and refrigerants, were used. In this study, a scaling approach that incorporates thermophysical properties, such as the Laplace length, latent heat, surface tension, and vapor density, was used to determine the fluid-specific mass transfer coefficients. Computational fluid dynamics simulations were conducted for four nonaqueous working fluids: R134a, acetone, HFE-7100, and R1336mzz(Z). The results were compared with experimental data and a reference study. Unlike simulations using a default coefficient of 0.1, the proposed mass transfer coefficients led to stable convergence of temperature and pressure. The resulting temperature deviations from experimental data were 6.4 K for R134a, 5.6 K for acetone, 2.6K for HFE-7100, and 2.2K for R1336mzz(Z). Changes in the mass transfer coefficients were found to change the liquid flow regime for input heat, which was validated through experimental flow visualization for each working fluid. These findings demonstrate that the mass transfer coefficients significantly influence the flow regime and temperature distribution in both the evaporator and condenser, emphasizing the need to regulate the mass transfer coefficients of nonaqueous working fluids. The proposed methodology aims to provide guidelines for Lee model by using a wide range of working fluids and geometries.
more목차
1. Introduction 6
1.1 Liquid-Based Thermal Managements 6
1.2 Evaporation–Condensation (Lee) Model 8
1.2.1 Empirical Methods 9
1.2.2 Theoretical Methods 11
1.3 Purpose of the study 13
2. Computational Methodology 14
2.1 Governing Equations 14
2.2 Evaporation–Condensation (Lee) Model and Its Modification 16
3 Numerical Simulation Process 22
3.1 Geometry and Boundary Conditions 22
3.1.1 Case 1: R134a Medium in Fadhl et al,’s TPCT 24
3.1.2 Case 2: Acetone Medium in Choi and Lee’s TPCT 25
3.1.3 Case 3: HFE-7100 Medium in Choi and Lee’s TPCT 25
3.1.4 Case 4: R1336mzz(Z) Medium in Choi and Lee’s TPCT 26
3.2 Mesh Independence Test 26
3.3 Simulation Setup 27
4 Results and Discussion 31
4.1 Temperature Profile Results· 31
4.2 Steady State Results 38
4.3 Transient State Results· 44
5 Conclusion 53
6 Reference 55