An experimental study of countercurrent flow limitation (CCFL) has been performed for air-water countercurrent flow in a horizontal pipe connected to a upwardly inclined pipe through a bend. The CCFL determines the maximum rate at which one phase can flow countercurrently to another phase. A total of 85 onset of CCFL and 13 zero penetration limits were obtained. The parametric effects of the pipe diameter, horizontal pipe length, and inclined pipe length on CCFL were also examined.
Three different mechanisms that lead to CCFL were observed in accordance with the inlet water flow rate. For low inlet water flow rate, the CCFL occurred simultaneously with the formation of the large unstable waves at the crest of the hydraulic jump in the horizontal pipe. The hydraulic jump appeared far away from the bend as the inlet water flow rate increased; at intermediate inlet water flow rate, no hydraulic jump was observed, and CCFL occurred as a result of large wave formation at the end of the horizontal pipe; at high inlet water flow rate, no hydraulic jump and no large wave formation at the end of the horizontal pipe were observed, but the entrainment of the water droplet into the water tank that is connected to the inlet of the test section induced CCFL. The effects of the horizontal pipe length-to-diameter ratio, L/D, and inclined pipe length on CCFL were significant in the present experimental range.
Based on the present experimental data, an empirical correlation for CCFL was developed in terms of square roots of dimensionless superficial velocities. The present correlation predicted the large pipe diameter data more closely than the existing empirical correlations. The discrepancy of the two correlations are mainly due to the fact that the experimental range of L/D and inclined pipe length were quite different.
원자력 발전소 정지 중 운전시 냉각수의 자연순환 방식에 의해 노심의 잔열을 제거하는 경우, 노심과 증기발생기를 연결하는 고온관에서의 역류유동제한 현상은 가압기 밀림관 및 증기발생기 세관에서의 역류유동제한 현상과 더불어 노심수위 저하의 직접적인 요인으로 작용하여 원자력 발전소 안전상에 중대한 문제를 야기 시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 고온관에서의 역류유동제한 현상은 아직까지 그 발생기구가 명확히 규명되고 있지 못하다. 따라서 본 연구에서는 수평관 및 경사관이 곡관부로 연결된 유로에서의 역류유동제한 현상을 규명하기 위한 실험적 연구를 수행하였다.
실험은 관의 직경과 수평관의 길이 및 경사관의 길이를 달리하는 8 개의 실험 모사관을 제작하여 상온, 대기압하의 공기와 물을 사용하여 수행하였다. 실험 결과 85 개의 Onset of CCFL 값과 13개의 Zero Penetration 값을 얻었으며, 더불어 관의 직경, 수평관의 길이, 및 경사관의 길이 등이 역류유동제한 현상에 미치는 영향에 관하여도 연구가 이루어졌다.
관찰에 의하면 고온관을 모사한 유로에서의 역류유동제한 현상은 관내로 주입되는 물의 유량에 따라 서로 다른 세 가지 기구에 의해 발생되었는데, 관내로 주입되는 물의 유량이 낮은 경우에는 수평관 내에서 수력도약 현상이 발생하고, 공기의 유량이 증가함에 따라 수력도약지점 하류에서 발생된 수면파의 성장이 슬러그를 발생시켜 역류유동제한 현상을 일으켰다. 물의 유량이 증가하게 되면 수평관 내에서 수력 도약 현상은 발생하지 않고 공기의 유량이 역류유동제한 값에 근접하게 되면 수평관 출구 부분에서 큰 수면파가 발생되어 곡관부 쪽으로 빠른 속도로 이동하면서 성장하여 슬러그를 발생시켜 역류유동제한 현상을 일으켰다. 물의 유량이 더욱 증가하면 수평관 내에서의 수력도약 현상이나 출구에서의 수면파의 발생은 발생하지 않고 물이 주입되는 관 입구에서의 액적유입에 의해 역류유동제한 현상이 발생됨을 알 수 있었다. 또한 각 유로의 기하학적 형상이 역류유동제한 현상에 미치는 영향은 수행된 실험 범위 내에서는 수평관의 길이와 관 직경간의 비, 그리고 경사관의 길이가 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
수행된 실험 결과를 기초로 하여 역류유동제한 현상에 관한 실험 상관식을 개발하였으며, 개발된 실험 상관식은 기존의 실험 상관식에 비해 큰 직경을 가지는 실험 장치에서 수행된 실험 결과를 보다 잘 예측하였다. 본 연구에서 개발된 실험 상관식에 의한 예측치와 기존의 실험 상관식에 의한 예측치 간의 불일치는 각 실험 상관식을 개발하기 위하여 수행된 실험의 실험 조건이 서로 상이한 것에 기인한 것으로 생각된다.
