가변 단면적 다중 제트 충돌 냉각 유동의 수치해석적 연구

가스터빈의 효율 향상을 위해 turbine inlet temperature (TIT)가 지속적으로 증가함에 따라, 고온에 노출되는 블레이드 leading edge의 효과적인 냉각 기술이 중요해지고 있다. Multi-jet impingement cooling은 넓은 영역에서 국소 열전달 성능을 확보할 수 있지만, 하류로 누적되는 crossflow가 jet deflection을 발생시키고 열전달 분포를 불균일하게 만들 수 있다.
본 연구에서는 이러한 crossflow를 제어하기 위한 설계 방안으로, 복잡한 내부 구조물 대신 하류 방향으로 채널 높이가 선형적으로 변화하는 가변 단면적 채널을 제안하였다. 기준 형상인 baseline case와 단면적이 증가하는 diverging case, 감소하는 converging case를 구성하고, ANSYS CFX를 이용한 3차원 정상 RANS 해석을 통해 유동 구조, 열전달 성능 및 압력 손실을 비교하였다.
균일 유량 조건에서 세 형상의 평균 Nusselt 수 (Nu)는 유사하게 나타났으나, diverging case는 횡방향 유동의 momentum을 완화하여 하류 jet deflection을 줄이고 baseline case 대비 낮은 압력 손실을 보였다. 반면 converging case는 출구 부근에서 강한 와류를 형성하여 국소 열전달을 높였지만, 제트 사이의 유동 고립과 압력 손실 증가가 동시에 나타났다. 또한 상류 제트 유량을 증가시켜 crossflow를 강화한 조건에서는 converging case의 하류 열전달 향상 폭이 감소하고 요구 유압 동력이 증가하는 경향을 확인하였다.
이를 통해 가변 단면적 형상이 crossflow, jet deflection, 열전달 및 압력 손실 사이의 상충관계를 변화시킨다는 점을 확인하였으며, 실제 multi-jet impingement cooling 채널 설계에서는 국소 열전달 향상뿐 아니라 공급 압력과 에너지 요구량을 함께 고려한 종합적인 성능 평가가 필요함을 제시하였다.