Relative humidity, membrane conductivity and water activity are critical parameters of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) for high performance and reliability. These parameters are closely related with temperature. Moreover, the ideal values of these parameters are not always identical along the channels. Therefore, the cooling channel design and its operating condition should be well optimized along the all location of the channels. In the present study, we have performed a numerical investigation on the effects of cooling channels on performance of a PEMFC. Three-dimensional Navier-Stokes equations are solved with the energy equation including heat generated by the electrochemical reactions in the fuel cell. The present numerical model includes the gas diffusion layers (GDL) and serpentine channels for both anode and cathode gas flows, as well as cooling channels. To accurately predict the water transport across the membrane, the distribution of water content in the membrane is calculated by solving a nonlinear differential equation with a nonlinear coefficient, i.e., the water diffusivity which is a function of water content as well as temperature. Main emphasis is placed on the heat transfer between the solid bipolar plate and coolant flow. The present results show that local current density is affected by cooling channels due to the change of the oxygen concentration and the membrane conductivity as well as the water content. It is also found that the relative humidity is influenced by the generated water and the gas temperature and thus it affects the distribution of fuel concentration and the conductivity of the membrane, ultimately fuel cell performance. Unit-cell experiments are also carried out to validate the numerical models. The performance curves between the models and experiments show reasonable results.
various applications is presented. It is based on rapid-prototyping of transparent model for flow visualization and on the use of refractive index matching that enables efficient and clear visualization of the flow inside the model. The model is immersed in the index-matching fluid in a glass tank so that any displacement and rotation of the model in the tank have no influence on the optical setup for image acquisition to be made through a glass wall. This can facilitate greatly the camera calibration for stereo PIV and 3-D PTV. As the flow model is generated directly from 3-D surface data, no laborious preparation of the flow model is needed. This approach for seamless linking of model generation and PIV measurement is applicable to various flow measurements in automobile, ship building, fluid machinery, turbine, electrical appliances, heat exchanger, electronic cooling, bio-engineering and so on.
Most microfluidic devices such as heat sinks for cooling micro-chips, DNA chip, Lab-On-Chip, and micro pumps etc. have microchannels of various size. Therefore, the design of practical microfluidics demands detail information on flow structure inside the microchannels. However, detail velocity field measurements are rare and difficult to carry out. In addition, as the microfluidics expands, accurate understanding of microscale transport phenomena becomes very important. In this research, micro-PIV system was employed to measure the velocity fields of flow inside a micro-channel. We carried out PIV measurements for several microchannels with varying channels width, inlet and outlet shape, filters, CCD camera and ICCD camera, etc. For effective composition of micro-PIV system, first of all, it is essential to understand optics related with micro-imaging of particles and the particle dynamics encountered in micro-scale channel flows. In addition, it is necessary to find the optimal condition for given experimental environment and? micro-scale flow to be investigated. The problems encountered in measuring velocity field of micro-channel flows are discussed in this paper.
The vortex tube is a simple device for separating a compressed gaseous fluid stream into two flows of high and low temperature without any chemical reactions. Recently, vortex tube is widely used to local cooler of industrial equipments and air supply system. The phenomena of energy separation through the vortex tube was investigated experimentally. This study is focused on the effect of the diameter of cold end orifice diameter on the energy separation. The experiment was carried out with various cold end orifice diameter ratio from 0.22 to 0.78 for different input pressure and cold air flow ratio. The experimental results were indicated that there are an optimum diameter of cold end orifice for the best cooling performance. The maximum cold air temperature difference was appeared when the diameter ratio of the cold end orifice was 0.5. The maximum cooling capacity was obtained when the diameter ratio of the cold end orifice was 0.6 and cold air flow ratio was 0.7.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2006.11a
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pp.403-406
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2006
An ejector is designed for the purpose of engine bay cooling. The primary flow of the ejector is the exhaust gas of the PW206C turboshaft engine. The mass flow of secondary flow is calculated by using the approximate analytic equation. For the purpose of verification of approximate analytic method, comparison is made with the results of Navier-Stokes turbulent flow solution. According to the results of CFD, the mixing of two flows is incomplete due to the short length of mixing duct.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.7
no.1
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pp.33-39
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2004
Viscous flows around a cooling tower fan with sweep are numerically investigated. The Navier-Stokes equations and the continuity equation are solved in the flow domain. The Reynolds stresses are modelled using the $\kappa-{\varepsilon}$ turbulence model. The governing equations are discretized with the Finite Volume Method. The pressure and the velocity are linked with the SIMPLE algorithme. Flow and pressure characteristics around the fan are investigated. The pressure sharply increases through the fan. Pressure variations on the pressure and suction sides of the fan are well represened in the calculations. The flow streamlines in the blade passage are nearly parallel to the blade.
The 2-dimensional unsteady flows on and around the cambered airfoils were computed by applying LES with the deductive dynamic SGS model. The unsteady flow field were used as inputs to compute the far-field sounds and directivity patterns from rotating blades by a hybrid approach that exploits Farassat's formula. The BEM (Boundary Element Method) was applied to predict the frequency characteristics from the rotating blades for the cases of even- and uneven-pitched fans. The BEM results suggested that the unevenly pitched fan have less pronounced discrete peaks at BEF frequencies, which was confirmed by the experiment.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.12
no.11
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pp.1004-1011
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2000
Experimental and computational studies were carried out to confirm the turbulent enhancement of the cooling system of nuclear reactor by large scale vortex generation in nuclear fuel bundle. The large scale vortex motions were generated by rearranging the inclination angles of mixing vanes to the coordinate directions. Axial development of mean and turbulent velocities in the subchannels were measured by the 2-color LDV system. Eddy diffusivity heat flux model and $k-varepsilon$ model were employed to analyze the turbulent heat and fluid flows in the subchannel. The turbulence generated by split mixing vanes has small length scales so that they maintain only about $10 D_H$ after the spacer grid. On the other hand, the turbulences generated by the large scale vortex continue more and remain up to $25 D_H$after the spacer gird.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.11
no.5
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pp.615-623
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1999
The objective of present study is to analyze a hot steel-tube cooling system as a kind of concentric triple-passage heat exchanger, whose inner tube is moving with a constant speed. Velocities and temperatures of an antioxidant gas flowing between inner and outer tubes are calculated theoretically for both laminar and turbulent flow regimes and used to give Nusselt numbers and friction factors with respect to various radius ratios and velocity ratios. In addition, it is shown that heat transfer coefficients based on ratios of average heat fluxes from inner and outer tubes might result in great errors for the temperature distributions of the flows, since the local heat transfer coefficients are dependent on the local heat flux ratios.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.16
no.2
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pp.136-142
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2008
Thermal management of a junction box of a passenger car has recently become more challenging due to its smaller size and larger current capacity. Thus, it is essential to perform the thermal optimization of a junction box in its design on an early stage of vehicle design. In this study, 3 dimensional CFD simulation with experimental measurement has been done to study for better thermal management of the junction box. First, the study of thermal characteristics of electric relays in the junction box has revealed that each surface of the relay has very different thermal resistance. In addition, an idea to install a cooling fan on the junction box has been studied and it was found that the forced cooling method was not effective on the system to keep the thermal resistance to the reasonable level of the junction box. Finally, the effect of external flows around the junction box on the temperatures of the relays, fuses, etc. has been studied and the result shows that the installation of the junction box at the proper place in an engine room can avoid any unnecessary overdesign in thermal management.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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