An experimental study has been performed to find out the relationship between CHF and vibration systematically.
First, CHF experiment without vibration in vertical round tubes was conducted at low and medium pressure condition where the data are scarce. 251 CHF data in total have been collected to investigate the effect of independent parameters and to give information about the assessment of prediction method. It was revealed that the parametric CHF trends agreed well with those of previous studies. Within ranges of the given data, 1995 CHF table showed the best prediction performance giving -3.54% for average error and 18.1% for RMS error, and the backpropagation neural network (BPN) also gave reasonable prediction accuracy.
Second, to find out the dynamic response of a tube at CHF condition, measurement of tube vibration in boiling process has been carried out under vertical upward flow at atmospheric condition. Vibration characteristics of the heated tube are significantly changed by heat transfer mode and flow patterns, therefore it is reasonable to say that the vibration measurement in heating condition can be an alternative method in the detection of heat transfer mode. In the case of liquid film dryout (LFD) type CHF condition, vibration could be regarded as negligible, however, these results cannot be extended to departure from nucleate boiling (DNB) type CHF mechanism
Third, vibration controlled CHF tests are also accomplished to reveal the relationship between CHF and mechanical vibration. The CHF generally increases with vibration intensity that is represented by vibrational Reynolds number $(Re_v)$ and the CHF enhancement is more dependent on the amplitude than on the frequency. It seems that the CHF enhancement comes from reinforced fluid turbulence induced by vibration. Based on the heat transfer enhancement correlation, an empirical correlation for the prediction of CHF enhancement by tube vibration was suggested. The correlation predicts the CHF enhancement ratio (En) with a reasonable accuracy, showing the error of -2.18% for average and 27.75% for RMS.
원자력 발전소의 운전 및 안전성과 관련하여 중요한 인자인 임계 열유속과 핵 연료봉의 진동과의 관계를 고찰하기 위한 실험적인 연구가 수행되었다.
진동이 없는 조건에서 수직 원형관을 이용하여 기존의 임계 열유속 실험데이터가 부족한 영역인 저압 및 중간압 조건에서 실험을 수행하여, 임계 열유속에 영향을 미치는 각 독립 변수들의 영향을 분석하고, 기존에 제시된 상관식 및 예측 모델들을 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 통해 수집된 251개의 임계 열유속 데이터를 기반으로 각 독립 변수들의 영향을 입구 조건 관점 및 출구 조건 관점에서 분석해 본 결과, 기존에 각 문헌들을 통해 일반적으로 알려진 사실들과 일치한다는 사실을 알 수 있었다. 또한 획득된 실험데이터에 적용 가능한 상관식들을 비교, 평가한 결과 Groeneveld 등(1996)에 의해 제시된 1995 임계 열유속 표가 평균 오차 -3.54 % 및 RMS 오차 18.1% 의 예측 성능을 보이며, 실험데이터를 가장 잘 예측하는 것으로 평가되었으며, 인공 신경 회로망을 이용한 예측 기법 또한 임계 열유속 값을 합리적으로 제시하는 것으로 나타났다.
임계 열유속 조건에서 원형관의 진동 특성을 파악하기 위해 대기압 조건에서 유동 비등시 발생하는 진동을 측정하였다. 가열 관의 진동 특성은 열전달 형식 및 유동 양식에 따라 확연히 달라짐을 알 수 있었다. 이러한 사실로부터, 가열봉의 진동 측정이 내부 유동 비등 열전달 형식을 판단하는 방법으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 임계 열유속 조건에서 진동 특성은 임계 열유속이 발생하는 메커니즘에 따라 달라 지며, 액막 건조에 의한 임계 열유속 발생시에는 진동은 무시할 수 있는 것으로 나타났으며, 이러한 결론은 핵비등 이탈의 경우에는 적용할 수 없는 것으로 판단된다. 진동을 야기시키는 가장 중요한 요인으로는 가열면에 붙어 있는 기포의 거동과 밀접한 관련이 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 인위적으로 제어되는 진동이 임계 열유속에 미치는 영향에 대해 알아 보기 위한 실험적인 연구를 수행하여, 가열 봉의 진동이 임계 열유속을 증진시킨다는 새로운 사실을 알 수 있었다. 임계 열유속의 증진에 가장 중요한 인자는 진동 레이놀즈 수이며, 진동의 주파수 보다는 진폭에 의존한다는 사실을 실험을 통해 알 수 있었다. 이러한 임계 열유속의 증진은 가열면 근처에서 진동에 의해 발생된 강화된 난류의 혼합에 의한 것으로 판단된다. 실험을 통해 획득된 실험데이터에 기반하여, 가열 봉의 진동시 임계 열유속 증진율을 예측할 수 있는 경험식을 제안하였다. 제시된 상관식은 평균 오차 -2.18% 및 RMS 오차 27.75%의 수준으로 합리적인 값을 예측함을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 유동 기인 진동을 억제하면서 임계 열유속을 증진시킬 수 있는 열역학적인 설계 최적화에 대한 연구가 필요하다는 사실을 알 수 있었다.
