The interface profile and the pressure distribution of a stratified flow and the critical conditions for slugging at a gas-liquid merging Y-junction were examined both experimentally and analytically. Air flow through a nearly horizontal channel, and water was introduced into the air stream through a slit at the bottom of the apparatus. The water layer thickness and the pressure distribution along the upper wall of the main channel were measured. The critical air velocity for the slugging was also obtained for a fixed water inlet velocity. The effects of the air-water inlet velocities, the channel inclination angle and the water injection angle were examined in this experiment. An analysis was performed under the assumption of two-dimensional irrotational inviscid flow. The Stokes' inverse transformation technique was adopted to convert the real x-y plane to the x-ψ (stream function) plane; then the potential flow equation was solved numerically in the transformed plane to predict the interface profile and the pressure distribution along the flow direction, and the results were compared with the measurements.
The water layer peak was observed near the merging point; this peak decreased and shifted downstream as the air velocity or the channel inclination angle was increased. However, the interface profile showed a tendency to merge into an equilibrium height far downstream for a fixed water inlet velocity and channel inclination. For a larger water injection angle, a secondary peak was observed at a small distance downstream of the primary peak. The upper wall pressure dropped sharply just after the merging point due to the air flow acceleration (caused by the water layer peak). Then the pressure recovered to an equilibrium value at the downstream where the pressure rise due to the air flow deceleration and the pressure drop by friction balanced. As the air velocity was increased, the small amplitude waves were induced downstream of the primary water layer peak and then developed into a large amplitude wave. Slugging occurred periodically due to growth and decay of this large amplitude wave. The critical air velocity decreased as the water injection angle or the water inlet velocity was increased. An empirical slugging criterion was proposed to express the inception of the slugging at a gas-liquid merging Y-junction.
The potential flow analysis is considered to be acceptable to predict the curved liquid layer thickness at high gas velocities and small liquid injection angles. However, the upper wall pressure distribution can not be predicted accurately, especially at the pressure recovery region, even at high gas inlet velocities due to the frictional pressure drop. The interface profile under the low gas velocity condition is mostly determined by the hydrodynamics of the liquid flow. In such cases, the effect of the flow separation at the corner point may be important. As the gas velocity increases and/or the liquid injection angle decreases, the flow separation seems to be suppressed so that the predicted interface profile reasonably agrees with the measured one. Since the flow separation was not specially treated in this potential flow analysis, it is inaccurate where the flow separation is important. Another thing to note is that, above a certain gas inlet velocity, the gas-liquid interface becomes wavy(rippled) and the present potential flow analysis based on a smooth interface assumption is no longer valid.
기체와 액체가 각각의 공급관으로부터 주입되어 2상유동을 이루는 현상은 내부 혼합형 분무노즐 등 작은 규모의 유동에서부터, 화화공장 및 원자력 발전소 계통의 분지관(branch) 유동 등 큰 규모의 유동에 이르기까지 많이 발견된다. 특히 관직경에 비해 길이가 크지 않은 분지관 유동의 경우 기체-액체 합류지점 근처에서의 유동특성(계면형태 및 압력분포)은 2유체 혼합계통의 설계에 매우 중요한 인자이다. 그러나 2유체 혼합유동은 본질적으로 3차원의 복잡한 현상이므로 이에 대한 기존 연구는 미미하다. 일반적으로 기체와 액체의 주입속도가 작은 경우 성층류가 발생하고 기체속도의 증가에 따라 계면이 불안정해져 파형류로 천이된다. 기체속도의 상대적 증가가 클 경우에는 파동(wave)이 성장하여 술러그류 또는 환상류로 천이하게 된다. 이러한 유동양식의 변화는 Kelvin-Helmholtz 불안정성에 기인한 것으로 설명되고 있다. 지금까지는 계면의 형태가 편평한 완전발달된 평행 성충류의 유동양식 천이현상에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 그러나 Y-자형 기체-액체 합류지점 근처에서의 성충류의 술러그류(또는 환상류)로의 천이에 대한 연구는 아직까지 이루어지지 않았다. 이는 분지관의 기하학적 조건에 따라 계면 형태가 달라지며 또한 기체-액체 경계면의 압력이 일정하지 않아서 단순한 자유수면(free-surface)과 다른 형태를 보이게 되므로 계면형상을 구하는 것이 어렵고 불안정성 해석 방법도 복잡하기 때문이다. 따라서 기체-액체 합류 Y-junction에서의 성충류의 Kelvin-Helmholtz 불안정성 해석을 위해서는 성충류 계면형상과 슬러깅(slugging) 시작에 관한 자료를 마련하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 Y-자형 기체-액체 합류지점에서의 성충류 유동특성(계면형상 및 압력분포)과 슬러깅 시작조건 등을 실험 및 해석적으로 살펴 보았다.
기체(공기)는 약간 경사진 공급관을 따라 흐르고 액체(물)는 아래쪽 분지관을 통해 기체 흐름과 합류되도록 주입하여 실험적 연구를 수행하였다. 기체 유동은 주입된 액체 유동에 의해 2상유동관 위쪽으로 밀리면서 그 유로가 협소해지고 액체 유동은 2상유동관 아래면을 따라 흐르게 된다. 액체층 두께는 합류지점 근처에서 최대이며 하류로 갈수록 얇아지는 둥근 언덕모양(hump)의 계면형상이 관측되었다. 이는 액체 공급관인 분지관과 2상유동관이 연결되는 둔각형태의 모서리 지점에서의 액체 유동의 분리(separation) 현상에 기인한 것으로 판단된다. 기체속도 또는 2상 유동관 경사각이 증가함에 따라 액체 hump의 최대높이는 얇아지고 발생 위치도 하류로 이동하였다. 그러나 액체 입구속도와 2상유동관 경사각이 일정한 경우 기체 입구속도가 다르더라도 혼합지점에서 충분히 떨어진 하류에서의 액체층 두께는 동일하게 나타났다. 액체 주입각도가 큰 경우에는 합류점 근처의 액체 hump 바로 뒤 쪽에 파형 모양의 또 다른 액체hump가 관측되었다. 한편 2상유동관의 압력은 유로 축소에 따른 기체유동의 가속으로 인해 합류지점 근처에서 급격히 감소하였다. 액체 hump의 높이가 최대가 되는 지점 근처에서 최소 압력이 나타났고, 하류에서는 기체유동 감속에 의한 압력 증가와 벽면 마찰에 의한 압력 강하량이 평형을 이루게 되는 압력으로 변하였다. 이러한 성층류 계면형상과 압력강하에 대한 실험결과는 향후 점성유동 수치해석의 검증에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 슬러깅 시작 과정을 이해하는 데에도 유용하다.
기체속도가 증가함에 따라 기체-액체 경계면에서 파형이 발생하고 임계 기체속도 이상에서는 슬러깅이 관측되었다. 슬러깅은 파형의 발생-성장-소멸의 과정에 따라 반복적으로 나타났다. 액체의 주입각도 또는 액체 주입속도의 증가에 따라 임계 기체속도는 감소하였다. 임계 기체속도를 예측하기 위한 실험 상관식도 본 연구에서 제안되었다. 여기서 제안된 슬러깅 시작에 관한 임계 상관식은 제한된 범위이내에서 직경에 대한 길이의 비가 작은 경우의 기체-액체 합류 분지관 유동의 유동양식 변화를 예측하는데 유용할 것으로 생각된다.
본 연구에서는 Y-자형 기체-액체 합류지점에서의 성층류 특성을 분석하기 위해 해석적인 방법도 시도되었다. 즉 2유체의 합류유동을 포텐셜 유동으로 가정하고 합류지점 근처에서의 계면형상 및 압력분포 등을 역 변환(inverse transformation) 방법으로 계산하여 실험 결과와 비교하였다. 액체 주입각도가 작고 기체속도가 큰 경우에 계산된 계면형상은 측정 결과와 비교적 잘 일치하지만 주입각도가 크거나 기체속도가 작은 경우 다소 큰 차이를 보이고 있다. 이는 주입각도가 작고 기체속도가 클수록 2상 유동관 모서리 지점에서의 액체 유동의 분리 현상이 감소하기 때문이다. 본 연구의 해석적 방법에서는 이러한 모서리 근처 유동에 대한 별도의 처리를 하지 않았으므로 유동분리 현상의 영향이 증가하게 되는 기하학적 2상유동관 입구 조건 또는 입구 유량 조건에서는 실험 결과와 큰 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다. 계산된 압력분포도 마찰손실에 의한 압력 강하를 포함하고 있지 않기 때문에 하류로 갈수록 측정치와 차이가 크게 나타났다. 또한 여기서의 포텐셜 유동 해석은 편평한 계면형상을 가정하였으므로 파형류에 대한 해석은 불가능하다. 그러나 본 연구의 포텐셜 유동 해석 결과는 향후 점성을 고려한 수치해석 결과의 검증에 유익하게 이용될 수 있다.
