Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회논문지)

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A Numerical Study on the Flow and Heat Transfer Characteristics of Aluminum Pyramidal Truss Core Sandwich

알루미늄 피라미드 트러스 심재 샌드위치의 열유동 특성에 관한 수치해석 연구

  • Kang, Jong-Su (Reliability R&D Research Center, Korea Automotive Technology Institute) ;
  • Kim, Sang-Woo (Korea Institute of Materials Science) ;
  • Lim, Jae-Yong (Department of Safety Engineering, Seoul National University of Science and Technology)
  • 강종수 (자동차부품연구원 신뢰성연구본부) ;
  • 김상우 (재료연구소 재료공정혁신연구본부) ;
  • 임재용 (서울과학기술대학교 안전공학과)
  • Received : 2018.11.06
  • Accepted : 2019.03.08
  • Published : 2019.03.31
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Abstract

In this study, the fluid flow and heat transfer characteristics within sandwich panels are investigated using computational fluid dynamics. Within the sandwich panels having periodic cellular cores, air can freely move inside the core section so that the structure is able to perform multi-functional roles such as simultaneous load bearing and heat dissipation. Thus, there needs to examine the thermal and flow analysis with respect to design variables and various conditions. In this regard, ANSYS Fluent was utilized to explore the flow and heat transfer within the pyramidal truss sandwich structures by varying the truss angle and inlet velocity. Without the entry effect in the first unitcell, the constant rate of pressure and the constant rate of Nusselt number was observed. As a result, it was demonstrated that Nusselt number increases and friction factor decreases as the inlet velocity increases. Moreover, the rate of Nusselt number and friction factor was appreciable in the range of V=1-5m/s due to the transition from laminar to turbulent flow. Regarding the effect of design variable, the variation of truss angle did not significantly influence the characteristics.

본 연구에서는 전산유체역학 해석을 이용하여 알루미늄 피라미드 트러스 심재 샌드위치의 열유동 특성을 분석하였다. 규칙적 다공질 금속인 피라미드 트러스 코어를 샌드위치 구조물에 채용할 경우 공기 매질이 자유롭게 유입, 유출될 수 있는 개방형 코어인 점을 고려하여 하중을 지지할 수 있는 구조성능과 함께 방열체로서 다기능성을 구현할 수 있는 구조가 된다. 따라서, 유입되는 공기의 속도변화, 설계변수인 트러스각에 따른 압력강하와 열전달 메카니즘을 확인하기 위해 ANSYS/Fluent를 이용하여 수치해석을 실시하였다. 해석모델에 사용된 샌드위치 패널은 알루미늄으로 이루어져 있으며, 샌드위치 패널의 위 면재와 아래 면재 사이에는 15개의 피라미드 트러스 유닛셀이 반복되고 있다. 폭 방향으로는 무한히 넓은 유닛셀을 모사하기 위해 대칭조건을 지정하였으며, 입구에는 균일한 속도분포를 경계조건으로 입력하였다. 해석결과 입구부와 첫 유닛셀까지의 구간에서 입구영향이 관찰되었으며, 입구영향을 배제하고 마찰계수와 누셀수를 분석하였다. 공기의 속도가 증가할수록 마찰계수는 감소하였으며, 누셀수는 증가하는 경향을 보인다. 한편, V=1m/s에서 5m/s에서의 마찰계수와 누셀수 변화가 확연하였으며, 이는 층류에서 난류로 유동패턴이 변하기 때문에 거시적으로 열전도보다 대류열전달의 비중이 커졌기 때문이다. 또한, 설계변수인 트러스각에 대해서는 의미가 있을 정도의 마찰계수와 누셀수의 변화는 관찰되지 않았다. 따라서, 트러스각이 강도, 강성 등 구조성능에 민감한 점을 감안하면 다기능성을 염두에 둔 알루미늄 피라미드트러스 심재 설계 시 설계변수의 변화는 구조성능에 더 민감할 것으로 판단된다.

Keywords

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Fig. 1. Pyramidal Sandwich Structures (a) Sandwich panel (b) Unitcell of pyramidal truss

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Fig. 2. 3D geometry model construction

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Fig. 3. Boundary conditions

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Fig. 4. Pressure Drop (Simulation #2)

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Fig. 5. Velocity Distribution (Simulation #2)

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Fig. 6. Temperature Distribution (Simulation #2)

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Fig. 7. Friction factor and Nusselt number with respect to Reynolds number

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Fig. 8. Flow pattern around a pyramidal truss core of α =35˚, (a) V=1m/s, (b) V=15m/s.

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Fig. 9. Friction factor and Nusselt number with respect to truss angle.

Table 1. Summary of CFD analysis

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