Two air-water mixing experiments are conducted to understand the flow behavior in the downcomer for Direct Vessel Injection (DVI) of Korean Next Generation Reactor (KNGR).
In the first experiment which is an air-water experiment in the rectangular channel with the gap size of 1cm, the width of water film is proportional to the water and air velocities and the inclined angle is proportional to the water velocity only, regardless of the water velocity injected in the rectangular channel. It is observed that the amount of entrained water is negligible.
In the second experiment which is a full-scaled water jetting experiment without air flow, the width of water film is proportional to the flow rate injected from the pipe exit and the film thickness of water varies from 1.0mm to 5.0mm, and the maximum thickness does not exceed 5.0mm.
The amount of water separated from the liquid film after striking of water jetting on the wall is measured. The amount of separation water is proportional to the flow rate, but the separation ratio in the full-scaled water jetting is not over 15%.
A simplified physical model, which is designed to predict the trajectories of the width of water film, is validated through the comparison with experiment results. The 13° upward water droplet of the water injected from the pipe constitutes the outermost boundary at 1.7m below from pipe level, after the water impinges against the wall. In the model, the parameter, η which represents the relationship between the jetting velocity and the initial spreading velocity, is inversely proportional to the water velocity when it impinges against the wall. The error of the predictions by the model is decreased within 14% to the experimental data through use of exponential fitting of η for the jetting water velocity.
차세대원자로 원자로용기 직접주입 (DVI)과 관련된 유체 역학적 현상의 이해를 위하여 물과 공기를 이용한 downcomer 모사 실험을 수행하였다. 사각채널 내에 물과 공기의 속도를 달리하여 공급하면서 액막의 폭과 기울기, 그리고 액체 견인 현상을 관찰하는 실험을 수행하였다. 액막의 폭은 물과 공기의 속도에 비례하였으나 액막의 기울기는 물의 속도에만 비례하였다. 액체 견인 현상은 그다지 관찰되지 않았다.
실제 원자로에 근사한 실험을 하기 위해 큰 탱크와 본 탱크, 그리고 파이프를 연결하여 벽에 수직으로 물을 주입하는 실험을 수행하였다. 50, 75, 100, 125, 200mm 직경을 가진 파이프들과 3×3m 크기의 아크릴 판을 사용하였다. 액막의 폭은 물 유량에 따라 증가하는 경향을 보였다. 액막의 두께도 유량에 따라 증가했으나 가장 두꺼운 액막이라도 5mm를 넘지 않았고, 200mm 직경의 파이프를 이용한 실험에서는 액막을 이루지 못하고 떨어지는 액체 방울들이 많이 관찰되었다.
물이 벽과 부딪친 뒤, 액막을 형성해 흘러내리는 부분과 분리되어 직접 떨어지는 물의 양을 측정하는 실험을 수행하였다. 물을 받는 실험장치는 높이 150cm, 아크릴 판과는 2cm 떨어뜨려 설치하였다. 100, 200mm 직경의 파이프를 이용하여 실험을 수행한 결과, 파이프의 직경이 커질수록 (물 유량이 커질수록) 물받이 장치에 모인 물의 비율이 커지는 경향을 보였으나 15%를 넘지 않았다. 따라서 수력학적인 면만 고려한다면 비상 노심 냉각수의 bypass는 문제가 되지 않는다.
액막의 폭에 관한 결과들을 이론적인 모델과 비교하여 검증하였다. 이 모델에서는 물이 벽에 수직으로 충돌한 뒤, 수평방향에서 약 13° 상향으로 튀어나가는 물방울이 1.7m 아래 지점에서 가장 최 외각 액막을 형성한다. 모델에서 충돌 전후의 속도간의 관계를 나타내는 파라미터인 η를 모든 경우에 0.95로 대입한 결과, 유량이 큰 영역 (파이프의 지름 100mm이상)에서는 실험 값보다 작게, 유량이 작은 영역 (파이프의 지름 100mm 이하)에서는 실험 값보다 크게 예측하였다. 이러한 큰 scattering은 η를 일정하게 대입한 것에 기인한다. η를 속도에 관한 함수로 나타내면 아크릴 판에 부딪치는 물의 속도가 클수록 작아지는 경향을 보이고 속도가 증가함에 따라 0.55 정도에 수렴한다. η를 속도에 대한 exponential fitting을 통해 보정한 값과 실험 값과 비교한 결과, 오차를 약 14% 이내로 줄일 수 있었다. η를 무차원 파라미터인 Froud 수에 대하여 보정을 했을 때, 오차는 약 27% 이내로 속도에 대한 보정값에 비해 큰 scattering을 보였다.
