To investigate the interfacial friction factor for the countercurrent stratified two-phase flow, a series of experiments have been performed in horizontal and inclined pipes with the inner diameter of 0.05m. The length of pipes are 2m and 4m, and the pipe inclination angles are 0°, 1°, and 2°. The air and water at room temperature and at atmospheric pressure are used as working fluids. The instantaneous local void fractions are measured by the parallel wire conductance probes located at L/D=1.2, 21.5, and 22.1 for 2m-tests, and 41.4, 42.0, and 62.0 for 4m-tests from the inlet of water flow, respectively. The superficial water velocity ranges from 0.0127 to 0.1358m/s and the range of superficial air velocity is from 0.679m/s to the value of slug occurrence. The interfacial friction factor has been determined from the measurements of air and water flow rates, pressure drop, and void fractions.
From the present experiment, it is found that the value of $(f_{i}/ f_{g})_{exp}$ is strongly sensitive to the existence of the hydraulic jump where two distinct water levels contact and the range of its value increases with the inclination angle. The comparison of the present experimental data with Lees correlation for the interfacial friction factor has resulted in a good agreement in three-dimensional wave regime.
It should be noted here that the measurement point of the void fraction is important in analyzing the onset of slugging, because the relative difference in the void fractions measured at different locations varies as large as 65% at the condition of the slug occurrence. A comparison with the cocurrent flow pattern map shows that there is a large difference from the present experimental data. Therefore, it is necessary to develop the countercurrent flow pattern map including several important variables, such as pipe length, inclination angle and others.
본 연구에서는 역류이상유동에 대한 계면마찰계수를 고찰하기 위해, 내부지름이 0.05m인 아크릴 관으로 구성된 2m, 4m 길이의 수평관 그리고 여러 경사관에서 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 상온, 대기압에서의 공기와 물을 작동유체로 사용하였고, 순간적인 국소 기공율은 여러 위치 (물 흐름의 입구로부터 2m 실험에서는 L/D=41.4, 42.0, 62.0 그리고 4m 실험에서는 L/D=1.2, 21.5, 22.1)에서 parallel-wire conductance probe를 사용하여 측정하였다. 물의 겉보기속도의 실험범위는 0.0127m/s에서 0.1358m/s까지이고, 이에 따라 공기의 겉보기속도를 슬러그가 발생할 때까지 천천히 증가시키면서 실험을 수행하였다. 시간평균된 여러 위치에서의 기공율, 실험관의 양 끝단에서의 압력강하 그리고 공기와 물의 유량을 기초로 공기의 운동량 방정식을 이용하여 계면마찰계수를 결정하였다.
본 실험에 의하면, $(f_{i}/f_{g})_{exp}$ 값은 관내에서 두 개의 다른 수위가 서로 맞닿는 곳인 hydraulic jump의 존재에 대하여 아주 민감한 것으로 나타났고, 관의 기울기가 클수록 $(f_{i}/f_{g})_{exp}$가 갖는 값의 범위가 더 넓어짐을 알 수 있었다. 현재 사용되고 있는 역류유동식계면마찰계수에 대한 상관식 중 Lee의 상관식이 본 실험의 three-dimensional wave regime에서 비교적 잘 예측하고 있음을 알 수 있었다. 또한, 본 실험에서는 다른 위치에서 측정한 기공율의 상대오차가 슬러그 발생조건에서 최고 65%까지 보이고 있어서, 슬러그 발생에 대한 해석을 수행할 때, 기공율의 측정위치를 주의깊게 결정하는 것이 중요하다. 또한 병류유동에 대한 유동 양식선도는 유동 천이의 기준에 대해서 본 실험과 같은 역류유동과는 많은 차이를 보이고 있기 때문에, 실험관 길이, 경사 각도와 같은 여러 중요한 변화 인자가 포함된 역류유동 양식선도를 개발하는 것이 필요하다.
