A theoretical flow transition criterion to slug flow or onset of countercurrent flow limitation (CCFL) in a nearly horizontal stratified flow, considering the effect of steam condensation, has been derived. Tn addition, the interfacial characteristics of a two-phase stratified flow in a nearly horizontal channel have been investigated experimentally for two important interfacial phenomena, i.e., heat and momentum transfers, which are given as the essential interfacial boundary conditions to analyze the two-phase flow, To obtain the experimental data for onset of CCFL and to understand the interfacial phenomena, a series of experiments have also been performed in a countercurrent stratified flow test facility with 0.083 m inner diameter and 2.2 m length of test section.
For the flow instability criterion, i.e., a transition condition from stratified flow to slug flow or onset of CCFL, a theoretical model that includes the steam condensation effect has been developed using the concept of total energy balance over the interfacial wave crest. The present model is more general in that it becomes the same form of the previous models if the effects of interfacial shear stress and steam condensation were neglected in a rectangular channel. The comparisons between the theoretical criterion for CCFL and the experimental data show that the present model can predict well the present experimental data of a circular tube as well as those of rectangular ducts from the previous study. Results of a parametric study of the steam condensation effect using the present model show that, when all local conditions are similar, the model-predicted critical gas velocities with the steam condensation factor are lower than those without the steam condensation factor, which indicates that the steam condensation phenomenon has a destabilizing effect on CCFL. In addition, using the present theoretical criterion, it is possible to explain the effect of steam condensation on the CCFL quantitatively. In other words, the effect of steam condensation on the onset of CCFL increases when the system pressure or the pipe diameter, and/or subcooling increases. Based on the visual observation and the evaluation of the present study, it is also found that the theoretical criterion derived for the onset of slug flow can be directly used to predict the onset of inner flooding in a nearly horizontal two-phase flow within the ranges of flow parameters of the present experiments.
For the interfacial characteristics, i.e., heat and momentum transfers at the interface, in the present study, attention is focused on the interfacial condensation heat transfer and the two-phase frictional pressure drop. Interfacial condensation heat transfer, which is characterized with a high thermal non-equilibrium between steam and subcooled water, has been studied experimentally in a countercurrent stratified flow with relatively thick water layer. The measured local temperature and velocity distributions in the thick water layer revealed that there was a thermal stratification due to the lack of full turbulent thermal mixing in the water layer. The effects of steam and subcooled water flow rates and the degree of subcooling on the interfacial condensation heat transfer have also been examined. Based on a total of 104 average interfacial condensation heat transfer coefficient data obtained from the present experimental study, an empirical correlation has been developed, and the comparison of the experimental data with the correlation shows that agreement is within ±20%. Two-phase pressure drop, which is essentially required as an important consideration in the system design related to a pumping power, has also been investigated erperimentally in a nearly horizontal countercurrent stratified flow. According the parametric studies based on the present experimental data, the two-phase pressure drop has been affected by void fraction, gas/liquid Reynolds number, and quality. A data set for the two-phase pressure drop in a horizontal or a nearly horizontal two-phase flow has been made from the previous and the present experimental works, which cover the wide ranges of experimental parameters. Then, the data have been correlated with the important hydraulic parameters which are selected on the basis of parametric studies and a sensitivity analysis to predict the two-phase pressure drop. The results of the present correlation show a better agreement with experimental data than those of existing correlation.
The assessments of the theoretical criterion for onset of CCFL and the interfacial characteristics of two-phase flow obtained from the present study have been performed by introducing them into the analytical model of condensation-induced wate. hammer (CIWH) and obtaining the critical inlet water. flow .ales of CIWH in a long horizontal pipe. The results of this assessment show that the analytical model of CIWH with the present theoretical criterion and the interfacial characteristics of two-phase flow gives good prediction over the data of both SONG-1 and Izenson et al.'s sample case study with conservatism.
근사 수평관 이상성층유동에서 증기응축의 영향을 고려하여 슬러그 유동으로의 이론적인 유동천이 기준식 또는 역류유동제한에 관한 기준식을 유도하였다. 또한 근사 수평관에서 이상성층유동의 계면특성을 나타내는 두 가지 중요한 계면현상 즉, 이상유동 해석시 필수적인 계면경계조건인 열과 운동량 전달에 관하여 실험적으로 고찰하였다. 그리고 역류유동제한에 관한 실험데이터의 취득과 계면현상의 이해를 위해, 내부지름이 0.083 m이고 길이가 2.2 m의 실험모사관이 있는 역층류 실험장치에서 일련의 실험을 수행하였다.
유동불안정성, 즉 성충류에서 슬러그류로의 천이 또는 역류유동제한의 개시에 관하여 계면파에 대한 전체 에너지 평형 개념을 이용, 계면에서의 증기응축 영향을 포함한 이론적인 모델을 개발하였다. 사각관의 경우, 계면 마찰 응력과 증기 응축의 영향을 무시한다면 본 모델은 기존의 모델과 같은 형태가 되기 때문에 본 모델이 더 일반적이라 할 수 있다. 역류유동제한에 관한 이론적인 기준식과 실험데이터와의 비교를 통해 본 모델은 기존의 사각관에 관한 실험데이터 뿐만 아니라, 본 실험연구로부터 얻어진 원관에 관한 실험데이터를 잘 예측할 수 있음을 알 수 있었다. 본 모델을 사용하여 증기응축의 영향에 관한 파라미터 연구를 수행한 결과, 모든 국소 조건들이 비슷할 때, 중기응축인자를 포함하여 예측한 임계 기체속도가 증기응축인자를 포함하지 않고 예측한 임계기체 속도보다 작음을 볼 수 있었는데, 이로써 증기응축현상이 역류유동제한에 불안정한 영향을 가지고 있음을 알 수 있었다. 또한 본 이론적인 기준식을 이용하여 증기응축의 영향을 정량적으로 파악할 수 있었다. 즉, 계통의 압력 또는 관의 지름, 그리고/또는 과냉각도가 증가할 때, 역류유동제한의 개시에 미치는 증기응축의 영향은 증가하였다. 본 실험 유동인자의 범위 내에서, 슬러그유동 개시에 관한 이론적인 기준식은 근사수평 이상유동에서 플러딩 개시를 예측하는데 직접적으로 사용할 수 있음을 육안관찰과 본 연구의 평가로부터 알 수 있었다.
계면특성 즉, 계면에서의 열과 운동량전달에 관하여 본 연구에서는 계면응축 열전달과 이상유동의 마찰에 의한 압력강하에 초점을 맞추었다. 증기와 과냉각수 사이의 심한 열적 비평형의 특성을 지닌 계면응축 열전달에 대하여 비교적 두꺼운 물 유동층을 갖는 역층류 조건에서 실험적 연구를 수행하였다. 두꺼운 물 유동층에서 측정된 국소 온도와 속도분포로부터 물 유동충에서 완전한 난류 열적 혼합이 일어나지 않기 때문에 열 성층화가 존재하는 것을 알 수 있었다. 또한 증기/과냉각수의 유량과 과냉각도가 계면응축 열전달에 미치는 영향에 관하여 조사하였다. 본 실험연구에서 얻은 전체 104개의 평균 계면응축 열전달계수의 데이터를 기초로 실험상관식을 개발하였고, 본 실험데이터와 상관식과의 비교결과, ±20% 이내로 잘 일치함을 보여주었다. Pumping power와 관련된 계통 설계시 중요한 고려사항으로 필수적으로 요구되는 이상유동의 압력강하에 대하여 근사수평 역층류에서 실험적으로 고찰하였다. 본 실험데이터를 기초로 수행한 파라미터 연구에 의하면, 이상유동의 압력강하는 기포율, 기체/액체의 레이놀즈 수, 그리고 건도에 영향을 받는 것으로 나타났다. 넓은 범위의 실험인자를 갖는 기존의 실험과 본 실험으로부터, 수평 또는 근사수평관 이상유동의 압력강하에 관한 데이터를 수집하였다. 그리고 파라미터 연구와 민감도 분석을 토대로 선택된 중요 수력인자들로 상관식을 개발하여 이상유동의 압력강하를 예측하였다. 본 상관식을 이용하여 계산한 결과 기존의 상관식보다 실험데이터를 잘 예측하였다.
본 연구에서 얻어진 역류유동제한 개시에 관한 이론적인 기준식과 이상유동의 계면특성을 평가하기 위하여, 증기응축에 의한 수격현상의 해석모델에 이들을 적용하여 긴 수평관에서 증기응축에 의한 수격현상의 임계 주입수의 유량계산을 수행하였다. 이 평가 결과, 본 연구에서 얻어진 이론적인 기준식과 계면특성을 사용한 증기응축에 의한 수격현상의 해석모델은 SONG-1과 Izenson et al.'s sample casestudy의 데이터를 보수성을 지니면서 잘 예측하였다.
