Experimental and analytical studies have been performed on conjugate heat transfer between two, separated, horizontal, liquid layers, with rapid solidified crust formation in a high density molten metal. Two cases of experiments, those with a low and high aspect ratio, in turn, were performed to analyze the effect of the aspect ratio and Rayleigh number on the crust formation. Two types of steady state tests, natural convection cooling and forced convection cooling, were performed to investigate the effect of coolant conditions in each of the aspect ratio case. The present experimental results on the relationship between the Nusselt number and Rayleigh number in the molten metal pool with and without crust formation were compared with existing correlations. The flow pattern, the temperature distribution, the crust thickness and the heat transfer rate have been evaluated using the CONV-2&3D and FLOW-3D computer programs and the numerical model in the analytical study.
The experimental study has shown that the bottom surface temperature of the molten metal layer is the influential parameter in the solidified crust formation, due to the developed natural convection flow. If the natural convection flow is well developed in the molten metal pool region, the overlying coolant conditions do not affect the crust formation. The Nusselt number of experimental cases without crust formation in the molten metal pool region is greater than that of experimental cases with crust formation, due to the crust's action as a conducting thermal barrier. The forced convection cooling more substantially affects the natural convection heat transfer rate than the natural convection cooling in the molten metal pool with and without crust formation. It is concluded that the present results, on the relationship between the Nusselt number and Rayleigh number in the metal pool region, match well with the Globe and Dropkin's correlation. The natural convection heat transfer of the low aspect ratio case is more substantial than that of the high aspect ratio case. If the Rayleigh number and Prandtl number effects are not taken into consideration in the metal pool region, the increase in the solidified crust thickness leads to the increase in the Nusselt number, due to the decrease of the aspect ratio, at the following approximate rates:
$Nu = 0.051 (Ra)^{1/3}AR^e$
ㆍ Low Aspect Ratio Case : e = - 0.0736 (0.086 ＜ AR ＜ 0.167)
ㆍ High Aspect Ratio Case : e = - 0.2441 (0.369 ＜ AR ＜ 0.759)
The analytical results have shown that the developed Rayleigh-Benard natural convection flow contributes to the solidified crust formation. The temperature profile, crust thickness, and heat transfer rate of FLOW-3D, CONV2&3D, and analytical results in the molten metal pool region are match well with the experimental data.
하부 용융 금속의 고화를 동반하는 분리된 두 수평 유체층 사이의 열전달 특성을 규명하기 위한 실험과 해석적 연구를 병행하여 수행하였다. 본 연구의 실험에서는 분리된 두 유체층인 하부의 용융 금속과 상부의 냉각수가 직접 접촉하여 열전달되면서 하부의 고온 용융 금속이 고화되어 피막층을 형성할 때의 피막층 형성과정과 두 유체층 사이의 열전달 특성을 규명하기 위하여 용융물 하부와 냉각수의 경계조건에 따른 용융물의 피막층 두께와 온도분포를 측정하였다. 본 연구에서는 용융 금속물 층의 종횡비 변화가 두 층사이의 열전달에 미치는 영향을 평가하기 위하여 종횡비가 작고 큰 두 경우에 대하여 자연대류와 강제대류의 냉각 조건에 따른 두 실험을 수행하였다. 실험결과를 검증하고 평가하기 위하여 FLOW-3D를 이용한 용융물층의 자연대류, CONV2&3D를 이용한 고화를 동반하는 용융물층의 자연대류, 해석적 모델을 통한 두 층 사이의 열전달 특성 등에 대한 해석적 연구를 수행하였다.
실험 수행 결과, 용융물의 하부 온도가 자연대류 열전달 때문에 피막층 형성에 많은 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 용융물의 피막층이 형성된 후 두 유체층 사이의 열전달량은 피막층이 열저항 역할을 하기 때문에 피막층이 형성되기 전의 열전달량보다 작게 나타났다. 용융물의 자연대류가 발달되지 않으면 상부 냉각수 조건이 용융물의 고화층 형성에 많은 영향을 미치나 용융물의 자연대류가 발달되면 상부 냉각수 조건이 용융물의 온도변화에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 동일 온도 조건에서 냉각수의 강제대류 냉각이 자연대류 냉각보다 용융물 층의 자연대류 열전달 양을 조금 더 크게 하는 것으로 나타났으며, 용융물 층에서의 Ra수 증가에 따른 Nu수 증가량은 기존의 다른 상관식보다도 Grobe와 Dropkin 상관식 결과와 비슷하게 나타났다. 종횡비가 작은 경우가 종횡비가 큰 경우보다 용융물의 자연대류 열전달 양이 더 크게 나타났으며, 고화층 증가에 따른 용융물층의 종횡비 감소는 용융물과 냉각수 사이의 열전달 양을 다음과 같은 비율로 증가시키는 것으로 나타났다.
$Nu = 0.051(Ra)^{1/3}AR^e$
ㆍ 종횡비가 작은 경우 : e = - 0.0736 (0.086 ＜ AR ＜ 0.167)
ㆍ 종횡비가 큰 경우 : e = - 0.2441 (0.369 ＜ AR ＜ 0.759)
해석적 연구를 수행한 결과 용융물 내부에서 형성된 Rayleigh-Benard 자연대류 흐름은 용융물의 피막층 형성에 많은 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 용융물 내부의 온도분포, 고화층 두께, 열전달 양은 실험결과와 비슷하게 나타나 실험결과에 대한 정당성을 확보할 수 있었다. 다양한 종횡비 변화와 고화층 두께의 과도상태 분석을 위한 추가적인 실험 및 해석이 필요하다.
