Flow structures in an axial compressor with a non-uniform tip clearance were predicted by solving a simple prediction method. For more reliable prediction at the off-design condition, off-design flow characteristics such as loss and flow blockage were incorporated in the model. The predicted results showed that flow field near the design condition is largely dependent on the local tip clearance effect. However overall flow field characteristics are totally reversed at off-design condition, especially at the high flow coefficient. The tip clearance effect decreases, while the local loss and flow blockage make a complicated effect on the compressor flow field. The resultant fluid induced Alford's force has a negative value near the design condition and it reverses its sign as the flow coefficient increases and shows a very steep increase as the flow coefficient increases.
Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) has low operating temperature and high efficiency. And PEMFC consists of many components as bipolar plate, gas diffusion layer, membrane etc.. Flow-field in bipolar plate roles path for transporting reactants to membrane. Therefore a design of flow-field has an effect on PEMFC's performance. In this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were performed for comparing mixed multiple serpentine (MMS) flow-field and multiple serpentine (MS) flow-field. And we studied an effect according to change mixing region design in MMS flow-field. Finally the applicability of results is verified by performing CFD simulation about fixed MMS flow-field which is combined good designs.
본 연구에서는 직접 메탄올 연료전지의 전기 화학 반응에 의해 발생하는 이산화탄소와 물의 조절을 위해 기체 발생과 흐름 현상을 관찰할 수 있는 3차원 모델을 개발하였다. 산화극 쪽에 발생한 기체의 조절은 직접 메탄올 연료전지를 설계하는데 중요한 문제이며, 연료 전지의 성능에 커다란 영향을 준다. 유로는 기체의 조절과 아주 밀접한 관계가 있으나 다양한 유로를 설계하고 실험하여 최적의 디자인을 찾는 것은 어렵고 바이폴라 플레이트의 높은 가격 때문에 많은 비용이 필요하다. 이 문제를 해결하기 위해 전산 유체역학 모델링 기법을 도입하였다. 전산 유체역학을 기반으로 하여 개발된 two-fluid 모델을 이용하여 유체의 흐름 패턴을 시각화 하여 분석함으로써 실험의 횟수를 줄일 수 있었고, 대표적인 4가지 연료전지 유로인 serpentine, zigzag, parallel, semi-serpentine 형태에 개발된 모델을 적용하여 속도, 압력, 메탄올 몰분율, 기체 몰분율 등을 계산하였다. 계산 결과를 이용하여 각 형태의 특성과 장단점을 파악하였고, 이를 바탕으로 가스를 효율적으로 제거할 수 있는 최적 유로를 설계 하였다.
Numerical analysis of the three dimensional turbulent flow field in a complex valve shape is carried out to confirm the flow field whether the designed valve shape is good or not. The simulation of the incompressible flow in a constant flowrate control valve is performed by using the commercial code, FLUENT/UNS 6.0. The results of flow field show the designed valve has some problems, therefore these will be good data for new valve design.
The non-uniform pressure generated in the volute generally are propagating upstream. As a result, outlet conditions of rotaing impeller are changed and the performance degrades. The major object of this research is to develop the numerical method which can calculate the effects of impeller and volute flow field interactions. Under the assumption of steady three-dimensional incompressible turbulent flow, the time averaged N-S equations involving $k-{\epsilon}$ turbulent model was solved by the F.V.M. To verify the computational method, the calculations are compared with experimental results published in literature and show satisfactory agreement with them, The three-dimensional flow characteristics within the volute of a centrifugal fan at design and off-design operating points have also been studied.
This study analyzed performance changes by an inner flow path of impeller groove for side channel type ring blower using CFD. Two models have the same side channel and clearance while one has an inner flow path and the other doesn't. To analyze the performance change of a ring blower, overall performance and local flow field were analyzed. For the overall performance, pressure increase and impeller torque were checked under the design flow condition. Under the design flow condition, pressure increase was greater for the model with the inner flow path. The model with the inner flow path showed improved efficiency because the area subject to torque decreased due to the creation of inner flow path. To analyze local flow field, a section was created from the representative location of each impeller groove toward the direction of radius. Inner channel pressure distribution depending on the rotation direction shows that the model with the inner flow path has pressure equilibrium of working fluid through the inner flow path. Velocity distribution of inside impeller groove shows that flow field was coupled and appeared to form an inner wall where the flow field was stabilized.
Various studies about metallic bipolar plates have been conducted to improve fuel cell performance through flow field design optimization. These research works have been mainly focused on fuel cells for vehicle, but not fuel cells for building. In order to reduce the price and volume of fuel cell stacks for building, it is necessary to apply a metallic flow field, In this study, for a metallic flow field applied to a fuel cell for building, the effect of a change in the flow field shape on the performance of a polymer electrolyte membrane fuel cell was confirmed using a model and experiments with a down-sizing single cell. As a result, the flow field using a metal foam outperforms the channel type flow field because it has higher internal differential pressure and higher reactants velocity in gas diffusion layer, resulting in higher water removal and higher oxygen concentration in the catalyst layer than the channel type flow field. This study is expected to contribute to providing basic data for selecting the optimal flow field for the full stack of polymer electrolyte membrane fuel cells for buildings.
The flow field of a 1 Ton/Day entrained-flow gasifier constructed in KIER was numerical simulate in this paper. The standard $k-{\varepsilon}$ turbulence model and simple procedure was used with the Primitive-Variable methods during computation. In order to find the influence factors of the flow field which may have great effects on coal gasification process inside gasifier, difference geometry parameters at various operating conditions were studied by simulation methods. The calculation results show that the basic shape of the flow field is still parabolic even the oxygen gas is injected from the off-axis position. There exist an obvious external recirculation zone with a length less than 1.0m and a small internal recirculation region nears the inlet part. The flow field inside the new gasifier is nearly similar as that of the old 0.5T/D gasifier at same position if the design of burner remains unchanged.
Flow-field design has much influence over the performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) because it affects the pressure magnitude and distribution of the reactant gases. To obtain the pressure magnitude and distribution of reactant gases in four kinds of flow-field designs without additional measurement equipment, computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed. After the CFD analysis, the performance values of PEMFC according to the flow-field configurations were measured via a single cell test. As expected, the pressure differences due to different flow-field configurations were related to the PEMFC performance because the actual performance results showed the same tendency as the results of the CFD analysis. A large pressure drop resulted in high PEMFC performance. So, the single serpentine configuration gave the highest performance. On the other hand, the parallel flow-field configuration gave the lowest performance because the pressure difference between inlet and outlet was the lowest.
3차원 모델링을 이용하여 연료전지의 유로형상과 유체의 흐름 방향에 따른 연료전지의 성능에의 영향성을 분석을 수행하였다. 본 연구에서 연료전지 내부의 각 유로형상과 유동장의 변화에 전류밀도와 온도의 분포가 어떻게 이루어져 있는지를 분석하였고, 연료전지 단위셀의 전체적인 성능을 분석하였다. 3차원 모델링을 수행하기 위하여 Navier-Stokes 방정식을 전산유체역학을 이용하여 풀었다. 전산유체역학에 전기화학반응의 모델을 융합하여 계산을 수행하였다. 또한, 본 연구에서는 직선유로와 실제 사용되는 형태인 직사각형 모양의 유로형태를 모사하여 유로구조의 영향성을 분석하였다. 그리고 유체의 유동장을 변형시켜 그 영향성과 결과를 비교해 보았다. 본 전산모사 연구를 통하여 연료가 풍부한 부분보다는 산소가 풍부한 부분에서 전류밀도가 보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한 전반적으로 전류밀도가 높은 곳에서 온도가 높은 것으로 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 온도의 분포와 유로형상과 유동장 그리고 전류밀도의 연관성을 확인할 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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