Although the stratified flow pattern among all the two-phase flow patterns has been considered as the most simple one in horizontal or slightly inclined channels, some difficulties in its analysis arise from the interactions between the gas and liquid flows and the waves. In addition, there are still some competing results among the previous works on countercurrent stratified flow, particularly, involving the prediction of the interfacial friction factor which is needed in the analysis of two-phase flow phenomena. And the effect of the inclination angle on the interfacial friction factor has been rarely studied until recently. It is necessary, therefore, to develop an interfacial friction factor correlation applicable to the countercurrent flow in order to obtain reliable results.
In the present study, interfacial flow behaviors for the countercurrent stratified air-water flow have been experimentally investigated in nearly horizontal and inclined pipes. Using the gas momentum equation, the data for interfacial friction factor have also been obtained from the measurements of air and water flow rates, liquid level, and pressure drop. For a fixed water flow rate with no air flow, the hydraulic jump with two distinct water levels was present in a nearly horizontal pipe. In slightly inclined pipe (1o and 2o), on the other hand, the hydraulic jump occurred near the water outlet for a high air flow rate. The presence of the hydraulic jump may significantly affect on both the flow pattern and the interfacial friction factor. The measured values of the interfacial friction factor in nearly horizontal and two inclined pipe tests were the same order of magnitude but the dependencies of the air and water velocities were slightly different.
Semi-empirical correlations to predict the interfacial friction factor for nearly horizontal and slightly inclined pipe conditions have also been developed for the stratified-wavy flow. In the present study, the correlations for nearly horizontal pipe flow and for slightly inclined pipe flow have been obtained separately. The developed correlations are primarily based on the present experimental data, but they predict reasonably well the present experimental data as well as data available in the literature, although a critical evaluation is further needed.
In addition, an analytical model has been suggested to be able to predict the liquid level under the condition of the countercurrent stratified two-phase flow. This was made by introducing the interfacial level gradient(ILG) into the liquid momentum equation (LME) and the combined momentum equation (CME). For slightly downward countercurrent two-phase flow, however, it seems to be more appropriate not to incorporate ILG. The analytical method for the gas-phase pressure drop calculation has also been proposed using the interfacial friction factor correlations and the liquid level prediction model developed in the present study. For most of the test range except at high superficial gas velocity, the predicted results showed a good agreement with the present experimental data within ±15%. For horizontal pipe flow, it is reasonable to account for ILG under the present experimental conditions. For slightly inclined pipe flow, on the other hand, the results of the prediction of the pressure drop without ILG were much better than those with ILG.
수평 또는 경사관에서의 이상유동양식중에서 성층유동 (stratified flow)은 가장 간단하지만 기체와 액체사이의 상호작용과 파동 (wave) 때문에 해석하는데 있어 어려움이 있다. 게다가, 역층류 이상유동에 관한 기존의 연구결과들, 특히, 이상유동해석에 있어서 반드시 요구되는 계면마찰계수 (interfacial friction factor)의 예측에 대한 연구결과들은 여전히 상반되는 점들이 있다. 더우기 계면마찰계수에 대한 관의 경사각의 영향에 대하여는 최근까지도 거의 연구되지 않고 있다. 따라서 신뢰성있는 결과를 얻기 위해서는 역층류 이상유동에 적용할 수 있는 계면마찰계수 관계식을 개발할 필요가 있다.
본 연구에서는, 수평 또는 경사관에서의 공기와 물의 역층류 이상유동시 계면 유동의 거동 (interfacial flow behaviors)을 실험적으로 관찰하였다. 또한 공기와 물의 유량, 물의 수위 (liquid level) 및 압력강하량을 측정하여 기체의 운동량 보존방정식 (gas momentum equation)으로부터 계면마찰계수를 결정하였다. 수평관에서는 공기의 유량이 없는 물만의 유동에서 두가지 서로 다른 수위를 갖는 hydraulic jump가 나타났다. 그러나 1o와 2o의 경사관에서는 기체의 유량이 높을때만 물의 출구쪽에서 hydraulic jump가 나타났다. hydraulic jump는 유동양식과 계면마찰계수에 모두 크게 영향을 미침을 알 수 있었다. 수평관과 두가지 경사관에서의 계면 마찰계수는 거의 같은 값을 보였고 기체와 물의 속도에 대한 의존성은 약간 다른 것으로 나타났다.
본 연구에서는 또, 수평 또는 경사관에서의 성층유동시 계면마찰계수를 예측할 수 있는 준 실험식들을 개발하였는데, 수평관과 경사관에서의 관계식을 분리하여 얻었다. 개발된 상관식들은 기본적으로 본 실험 데이타를 바탕으로 하고 있으며, 좀더 평가가 이루어져야 하지만, 본 실험 데이타는 물론 문헌에서 조사된 다른 실험 데이타들도 잘 예측하였다.
덧붙여서, 역층류 이상유동조건에서 수위 (liquid level)를 예측할 수 있는 해석적 모델을 제안하였다. 이 모델은 액체의 운동량 보존방정식 (liquid momentum equation) 또는 결합된 운동량 보존방정식 (combined momentum equation)에 계면수위변화량 (interfacial level gradient 또는 ILG)을 도입한 것이다. 그러나 경사관에서는 ILG를 도입하지 않는 것이 더 합리적인 듯하다. 본 연구에서 개발한 계면마찰계수 관계식과 수위 예측모델를 이용하여 기체상의 압력강하량을 예측하는 해석 모델도 제안하였다. 이 모델은 기체유량이 높은 경우를 제외하고는 대부분의 본 실험범위에서 실험데이타와 약 ±15%의 오차내에서 잘 예측하였다. 본 실험 범위내에서, 수평관에서는 ILG을 고려하는 것이 타당한 반면, 경사관에서는 ILG를 고려하지 않는 것이 ILG를 고려하는 것보다 압력강하를 예측한 결과가 더 좋은 것 으로 나타났다.
