상어 피부 표면에 자연적으로 형성된 홈 형태 구조의 저항 감소 효과를 참고하여, 본 논문에서는 생체 모방 상어 피부 치아 구조를 제안하고, 관 내 단상 유동에서의 강화된 열 전달 및 저항 감소 효과를 평가하였다. 생체 모방 상어 피부 치아는 주류 방향을 따라 돌출된 긴 리브형 치아와 유선형 부치아로 구성되며, 교차 겹침 방식으로 규칙적으로 관 내부 표면에 배열되어 규칙적인 유동 홈을 형성한다. 이를 통해 벽면 근처 와류를 홈 내부에 제한하여 벽면 유동 와류의 횡방향 이동을 방지하고, 와류 횡방향 이동으로 인한 운동량 교환을 감소시켜 저항 감소 효과를 발생시킨다. 또한 치아는 효과적인 유동 교란 기능을 수행하여 벽면의 대류 열 전달 효과를 강화시키며, 이로 인해 열전달 계수가 향상된다. 결과는 상어 피부 치아의 저항 감소 및 효율 향상에 영향을 미치는 주요 요인이 치아 높이와 배열 밀도임을 보여준다. 치아 높이와 배열 밀도가 증가함에 따라 교란 효과가 더욱 뚜렷해지고 열전달 계수 향상 효과가 커지지만, 저항 감소 효과는 먼저 증가하다가 감소하는 과정을 거치므로 최적의 치아 높이와 배열 밀도가 존재한다. 본 논문에서 연구한 외경 7 mm 관 조건에서 관 내 유동 레이놀즈 수가 4,500~9,500일 때, 상어 피부 치아의 최적 치아 높이는 0.07 mm이며, 최적 리브 간격 D₂와 P는 각각 2.3 mm와 0.6 mm이다. 광관에 비해 상어 피부 치아가 부착된 내측 관은 약 3.0%의 저항 감소와 약 8.0%의 열전달 능력 향상을 보였다.

생체 모방 상어 피부 치아; 관내 난류 유동; 대류 열전달; 저항 감소 및 효율 향상