Empirical and phenomenological investigations have been performed for countercurrent and cocurrent annular flow critical heat fluxes(CHFs) under low flow conditions. The CHF characteristics on finned surfaces were also examined by experiments and analyses for finned and unfinned geometries.
A new form of $C^2_w$ in the Wallis flooding correlation was proposed for a general use in predicting the flooding limited CHF at tubes, annuli and rectangular channels under zero and very low flow conditions. The suggested correlation showed reasonable predictions compared to the measured CHF with an root-mean-square(RMS) error of 18.8%. A physical model for the prediction of a CHF location at a zero inlet flow condition was improved to take into account entrainments from the liquid film and to extend the applicable range to subcooled inlet flow conditions. The improved model showed reasonable agreements with the Katto data, and provided details of the CHF mechanism due to flooding. It was analytically confirmed that the flooding is a triggering mechanism of a countercurrent annular flow CHF under zero and very low flow conditions. It was also revealed that the heat flux effect such as the nucleation induced entrainment in the liquid film should be considered for the analysis of a flooding limited CHF, especially in small L/D geometry. In addition, an attempt was made to predict CHF values by applying the improved model with predetermined CHF locations. The results showed that the predictions by the improved physical model agreed reasonably with the experimental data.
Annular flow hydrodynamic models of Whalley, Levy and Katto, which were developed for high flow conditions, were compared with available low flow CHF data to make out the applicability of the models to low flow conditions. As a result, it was found that Katto model, which improved the fault of Whally and Levy models, could be applied to predict low flow CHF with some improvements although the model underpredicted the available low flow data by 14% on the average. Examinations on the effects of boundary conditions and constitutive models suggested to improve correlation providing the initial quality as boundary condition for applying the Katto model to the prediction of CHF under low flow conditions.
To investigate the CHF characteristics for a finned geometry and to develop a CHF correlation, experiment and analysis were performed for finned and unfinned geometries under low flow conditions. An analytical model was applied to estimate heat flux and temperature distributions along the periphery of the fin at CHF conditions. During experiments, it was observed that the CHF occurred when the heat flux was high enough to evaporate the liquid film before the heated surface was cooled by the periodic pulsated annular flow. The parametric trends for the finned geometry agreed with the general understanding for the unfinned geometry. It was revealed that the fin did not affect the CHF under low flow conditions although it increased the critical power due to a larger heat transfer area. As the existing CHF correlations for the unfinned geometry showed large deviations in predicting the experimental data, a new correlation was proposed to predict the CHF for both finned and unfinned geometries. The developed correlation predicted the experimental CHF data with an RMS error of 13.7%.
저유속 조건에서의 대향 및 동향 환상 유동 임계열유속에 대한 연구를 경험적 및 현상학적으로 접근하였으며, 또한 핀이 달린 가열봉에 대한 임계열유속 실험과 분석을 수행하였다.
정지 또는 매우 저유속 조건의 원형관, 환상관 및 사각형 채널에서 플러딩에 기인한 임계 열유속 예측에 일반적으로 적용할 수 있도록 Wallis 상관식의 상수, $C_w^2$의 새로운 상관식을 제시하였다. 제안된 식은 기존의 임계열유속 실험 자료를 18.8%의 RMS 오차 안에서 잘 예측하는 것으로 나타났다. 그리고, 현상의 상세한 이해를 위해 제로 유량에서 임계열유속 발생 위치를 예측하는 현상학적 모델을 입구 유량과 액막에서의 액적 이탈 등을 고려할 수 있도록 개선하였다. 개선된 모델은 Katto 실험 자료의 임계열유속 발생 위치와 변수 경향을 잘 예측하는 것으로 평가되었다. 이로부터 플러딩 현상이 제로 및 매우 저유속 조건에서 임계열유속 발생 기구라는 것이 해석적으로 입증되었으며, 플러딩에 기인한 임계열유속 해석에 열속이 크고 액막이 두꺼운 경우일수록(즉, L/D가 작을수록) 액적 이탈같은 열유속 영향이 고려되어야 한다는 것이 밝혀졌다. 그리고, 개선된 모델을 제로 및 매우 저유속 조건에서 임계열유속 예측에도 적용하였는데 타당한 결과를 보여주었다.
고유속 조건의 환상 유동 임계열유속 예측에 사용되는 Whalley, Levy 및 Katto의 액막 증발 모델을 저유속 조건에서 적용 가능성을 알아보기 위해 저유속 임계열유속 실험 자료와 비교, 평가하였다. 그 결과, Whalley와 Levy 모델을 개선한 Katto 모델은 비교된 자료에 대해 평균적으로 14% 정도 임계열유속을 낮게 예측하였으나, 모델의 개선을 통해 저유속 조건의 임계 열유속 예측에 좋은 결과를 얻을 수 있는 것으로 이해된다. 개선할 부분은 초기 조건 및 각 구성 모델의 임계열유속 예측 영향에 대한 조사 결과, 환상 유동 시작점에서의 초기 건도와 액막 유속를 구하기 위한 방법으로 파악되었다.
저유속 조건에서 핀이 있는 가열봉에 대한 임계열유속 특성을 조사하고 예측 상관식을 도출하기 위해 수직 환상관에서 핀이 있는 경우와 없는 경우의 가열봉에 대한 임계열유속 실험을 수행하였다. 핀이 있는 가열봉에서 둘레를 따라 온도 및 열유속 분포를 계산하기 위하여 해석적 모델을 사용하였다. 실험에서 임계열유속은 주기적으로 Pulsation하는 환상 유동 조건에서 액막의 증발에 따라 발생하는 것으로 관측되었다. 핀이 달린 가열봉에서의 여러가지 변수가 임계열유속에 미치는 영향은 핀이 없는 경우에 대해 일반적으로 알려진 경향과 일치하였다. 그러나, 핀은 열전달 면적의 증가로 인해 임계출력은 증가시키나 국부적인 임계열유속 에는 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 그리고, 기존의 환상관에 대한 상관식들은 핀이 있는 경우의 임계열유속을 잘 예측하지 못하므로 새로운 상관식을 개발하였으며, 제시된 상관식은 13.7%의 RMS 오차를 가지고 핀이 있는 경우와 없는 경우의 임계열유속 실험자료를 잘 예측하였다.
