Three separate effect tests are performed to investigate thermal-hydraulic phenomena found in reactor coolant system in case of the loss-of-residual-heat-removal (LORHR) during mid-loop operation: off-take and slugging at the surge inlet in the hot-leg, two-phase mixture level in the pressurizer and condensation heat transfer in the U-tube. The test facilities are designed according to the scaling analysis so as to maintain scale similarities with the prototypes of nuclear power plant. A scale methodology proposed by the present study satisfies the preservation of parameters for off-take and mixture level. New experimental data and correlations are obtained through those separate-effect tests, which are used for the modifications of models in the RELAP5/MOD3 code. Modified correlations are implemented into the RELAP5/MOD3 and assessed. The effect of tube diameter is investigated using the condensation heat transfer data in the U-tube. It turns out that the flow parameter governing condensation heat transfer with noncondensible gas is the mixture Reynolds number.
The off-take and slugging in the hot-leg with the surge line are experimentally tested using the off-take test facility. The scaling analysis is performed to scale down the test facility. The experimental results are categorized into three items: onset of off-take (liquid entrainment) at the branch pipes, onset of slug transition in the horizontal pipe and discharge quality at the branch pipes. It is found out that the scale effect of the branch diameter on the onset of liquid entrainment is small. While the existing correlation of onset of liquid entrainment well predicts the present data, the Taitel-Dukler correlation for the onset of slug transition does not. The onset of slug transition shows its strong influence on the discharge quality. A new correlation for onset of slug transition is developed and implemented into RELAP5/MOD3. The discharge quality is strongly affected by the flow regime - stratified or slug flow - in the horizontal pipe, which means that the onset of slug transition plays a very important role of the quality behavior by off-take. New correlations for discharge quality are developed considering the critical dependency of the onset of slugging bifurcating into high and low qualities on the boundary of flow regime transition.
The liquid holdup in the pressurizer is investigated using the pressurizer test facility. The behavior in the surge line is not critical compared with phenomena in the hot-leg and the pressurizer, and merely transports two-phase fluids: the discharged flow by an off-take from the hot-leg; and the drained flow of accumulated liquids in the pressurizer. The two-phase mixture level in the pressurizer is examined, which gives the pool void fraction data. The pool void fraction is lower than the predictions by RELAP5/MOD3. Thus, the RELAP5/MOD3 code is assessed through the implementation of empirically modified correlation of drift velocity. The onset of water-draining at the surge outlet (at the bottom of the pressurizer) is also examined, which occurs at higher gas velocity as the collapsed level increases in the pressurizer. There is discrepancy between the data of onset of water-draining and the predictions from RELAP5: draining initiates at much lower gas flows in the predictions.
The local heat transfer coefficients of in-tube condensation are examined in the single vertical tube with the same diameter (0.75") as that of the U-tube. These results are compared with the previous data performed with the same diameter (2.0") as that of the PCCS to investigate the diameteric scale effect on the heat transfer. Total 6 series of the data for local heat transfer coefficients are obtained. The present data uses different scaling methodologies for steam-air mixture flow rates: Reynolds number similitude, velocity similitude, and Froude number similitude. It is revealed that the similitude of mixture Reynolds number is most scalable to the wall condensation heat transfer. A new correlation unifying the previous and present data is developed using degradation factor expressed in terms of the mixture Reynolds number.
부분충수운전중 잔열제거계통의 기능 상실시 원자로냉각계통에서 발생하는 중요한 열수력학적 현상들을 계통별로 선정하여 세 가지 개별실험이 수행되었다: 고온관내 밀림관 입구에서의 off-take 및 슬러깅, 가압기내 액체 축적, 그리고 U-튜브에서의 응축열전달. 각각의 실험장치들은 원형(한국표준형원전, KSNPP)과의 스케일 상사성을 확보하도록 스케일링 분석을 통해 설계되었다. 세 가지 개별 실험들로부터 실험데이터를 획득하고 및 관련 상관식들이 개발하였다. Off-take 및 슬러깅과 액체축적에 대하여 열수력 해석 코드인 RELAP5/MOD3를 이용한 코드모사를 하고 관련 모델들을 평가하였다. 슬러그 천이 및 수조기포율에 관한 모델을 새로이 얻어진 상관식을 바탕으로 수정하여 코드의 개선효과를 확인하였다. 한편, off-take 또는 응축열전달에 미치는 관 직경효과를 실험적으로 고찰하였다. 세 가지 실험별로 결과를 요약하면 다음과 같다.
Off-take 실험장치를 이용하여 고온관내 밀림관 입구에서의 off-take 및 슬러깅에 대한 실험적 연구가 수행되었다. 스케일링 분석을 통하여 실험장치가 설계되었으며, 실험 결과는 세 가지로 나뉘어진다: 액체견인의 시작점, 성층류에서 슬러그류로의 천이시점, 그리고 분기관 건도. Off-take에 미치는 분기관 직경 효과는 미미한 것으로 나타났다. 액체견인 시작점에 관한 기존의 상관식은 본 결과를 잘 예측하였다. 슬러그류로의 천이시 기체유속에 관한 결과는 기존의 Taitel-Dukler 상관식이 과소예측하는 것으로 나타났다. 이러한 보다 높은 기체속도까지 성층류가 유지되는 결과를 반영한 슬러그 천이 상관식이 개발되었다. 분기관 방출건도는 수평관내 유동양식 - 성층류 혹은 슬러그류 - 에 강한 영향을 받는 것으로 나타났다. 유동양식에 대한 강한 의존성을 고려한 새로운 분기관 건도 상관식이 제안되었고, 이는 유동양식의 천이를 기준으로 건도값이 고건도 및 저건도로 이분화하는 경향성을 뚜렷이 나타내었다. 새로이 개발된 슬러그 천이 상관식이 RELAP5/MOD3 코드에 구현되었고, 모사 결과는 본 실험과 같이 보다 높은 기체유속까지 성층류가 유지됨을 보여주었다. 저건도에 대한 RELAP5의 예측결과는 off-take 모델의 건도 상관식과 다른 결과를 나타내었으며, 실험에서 경험된 건도와 유동양식간의 상호관련성은 나타나지 않았다.
가압기 실험장치를 이용하여 가압기내 액체 축적에 대한 실험을 수행하였다. 고온관과 가압기 사이에서, 밀림관의 열수력학적 거동은 주목되지 않았으며 단지 이상유동의 수송 역할을 하였다. 가압기내 축적된 액체에서의 혼합수위 측정을 통하여 수조기포율을 얻어내었다. RELAP5/MOD3의 관련 모델(Kataoka-Ishii 상관식)과의 비교 결과, 코드에 의한 기포율 값이 과대예측되는 것으로 나타났다. 기존 드리프트속도 상관식의 계수 조정을 통한 새로운 상관식이 제시하고, RELAP5/MOD3에 수정 반영하였다. 그 결과, 기포율에 대한 예측치는 실험치와 잘 일치하였다. 실험을 통해 주입기체유량의 감소에 따른 축적된 물의 배수(draining)가 일어났으며, 이에 대한 시작점의 데이터를 얻었다. 누적수위가 증가함에 따라 보다 배수 시작시 주입 기체속도는 높게 나타났다. RELAP5/MOD3로 배수 현상을 모사하였으며, 실험에 의한 배수 시작시 기체유량은 RELAP5의 예측치와 매우 다른 결과를 나타내었다.
U-튜브와 동일한 직경을 가진 수직관에서 응축열전달계수에 대한 실험을 수행하였다. 응축열전달에 미치는 관 직경 효과를 고찰하기 위하여 기존의 다른 관 직경을 가진 실험과 동일한 조건에서 실험이 수행되었다. 주입되는 증기-공기 혼합 유량에 관해 세 가지 스케일링 파라미터의 상사를 적용한 실험 데이터를 얻었으며, 기존 데이터와 누셀트수에 의한 상사성의 비교 결과, 혼합기체의 레이놀즈수가 가장 스케일능이 있는 것으로 나타났다. 가장 스케일능이 있는 파라미터를 사용하여 본 실험과 기존 실험 결과에 모두 적용가능한 통합된 열전달계수에 관한 상관식을 개발하였다.
