Critical heat flux (CHF) enhancement devices, like a spacer grid with mixing vane, cause flow-induced vibration (FIV) due to turbulence made by structural resistance. CHF enhancement and FIV reduction are usually studied separately. The main purpose of this article is to investigate the relationship between CHF and FIV. Information of flow-induced vibration due to wire coil design, is experimentally presented in this study by detecting flow-induced vibration under the two-phase flow condition with wire coil inserts.
CHF experiments were performed in an upward vertical annulus tube under controlled vibration conditions to determine the effect of vibration on CHF. FIV was measured in an upward vertical tube with various wire coil inserts using air-water as flow material.
CHF experiments were performed at one atmosphere with mechanically controlled vibration. A quartz tube (inner diameter of 17 mm, thickness of 2mm and length of 0.72 m) was used for outer tube and a SUS-304 tube (outer diameter of 6.35 mm, thickness of 0.89 mm and length of 0.7 m) was used for the inner heater. Vibration of the heater tube with an amplitude range of 0.1 mm to 0.5 mm and a frequency range of 10 Hz to 50 Hz was carried out at a mass flux of 115 kg/㎡s and 215 kg/㎡s. CHF was enhanced by vibration with a maximum ratio of 16.4 %. CHF was increased with increased amplitude and quality. The CHF correlation was developed with R (coefficient of correlation) of 0.903.
FIV measuring experiments were performed at one atmosphere by changing the inserted wire coil type. An acrylic tube was used for the test section with inner diameter of 25 mm, thickness of 10 mm and length of 0.5 m. Four types of wire coil, which have a thickness of between 2 mm and 3 mm and pitch length of between 25 mm and 50 mm, were used. FIV and dynamic pressure were detected in water mass flux range of 100 ~ 3060 kg/㎡s and air mass flux range of 5.02 ~ 60.3 kg/㎡s. Vibration increased along with mass flux and quality. Insertion of the wire coil increased the vibration. Increased vibration was also seen by increasing water mass flux. Decreasing pitch length produced more flow-induced vibration. The FIV correlation was developed with R of 0.956.
FIV was accurately predicted under two-phase flow condition with wire coil inserts. CHF enhancement ratios were compared by wire coil insertion and by vibration. The wire coil produced FIV that increased CHF. Contribution of vibration on CHF enhancement was less than 1 % of CHF enhancement by turbulence and swirl produced by the wire coil. Vibration for CHF enhancement caused amplitude increasing that induces fuel damage by friction. It is concluded that CHF enhancement by wire coil must consider the level of increased vibration and pressure drop. Designs need to reduce them. CHF enhancement ratio was compared with flow-induced vibration and pressure drop by calculation. The wire coil with pitch length of 70 mm, showed the best performance at the mass flux condition of 3000 kg/㎡s.
This paper investigated the effect of vibration on CHF enhancement, suggested predicting correlation of FIV under two-phase flow condition with wire coil inserts for wire coil design for CHF enhancement.
임계열유속을 증진시키는 혼합날개 달린 지지격자는 유로에 구조적인 저항체를 삽입하게 되면서 발생하는 난류에 의한 유동기인 진동을 일으키게 된다. 하지만, 이러한 임계열유속 증진과 유동기인진동 감소에 대한 연구는 개별적으로 수행되어왔다. 이 연구는 전체적으로 임계열유속과 유동기인진동의 관계를 알아보는 것을 최종목표로 하고 있다. 특히 연구가 전무한 이상유동조건에서 굴곡된 철사 삽입시에 발생하는 유동기인진동을 실험을 통하여 측정함으로써, 임계열유속 증진을 위해 사용되는 굴곡된 철사의 설계에 있어서 발생하는 유동기인진동의 크기를 고려할 수 있는 틀을 제시하였다.
진동의 임계열유속에 대한 일반적인 영향을 알아보기 위하여, 상향 수직 환상관에서 가열봉의 진동을 직접조절하며, 이에 따른 임계열유속의 영향을 알아보는 실험이 수행되었다. 비가열 이상유동조건에서 상향 수직관내에 다양한 형태의 굴곡된 철사를 삽입하여 발생하는 유동기인진동을 측정하는 실험이 공기와 물을 사용하여 수행되었다.
기계적으로 진동을 조절하며 임계열유속 실험이 대기압 조건에서 수행되었다. 외부 실험관으로 내경 17 mm, 두께 2 mm, 길이 0.72 m 의 석영관이 사용되었고, 내부 가열봉으로 외경 6.35 mm, 두께 0.89 mm, 길이 0.7 m 의 SUS-304 관이 사용되었다. 기계적 진동을 가하지 않은 임계열유속 실험과 기계적 진동을 가한 임계열유속 실험을 질량유속 115 kg/㎡s 와 215 kg/㎡s 에서 진동의 진폭을 0.1 mm ~ 0.5 mm, 주파수를 10 Hz ~ 50 Hz 로 변화시키며 수행하였다. 임계열유속은 기계적진동에 의하여 최대 16.4% 증대된 결과를 보여주었다. 진동의 진폭증대에 따라 임계열유속이 증진되었으며, 개발된 실험식의 상관계수는 0.903 였다.
비가열 조건에서 굴곡된 철사를 삽입하여 유동기인진동을 측정하는 실험이 대기압 조건에서 수행되었다. 실험관으로 내경 25 mm, 길이 500 mm 의 아크릴관을 사용하였다. 네가지 굴곡된 철사는 2mm, 3mm 의 두께와 25 mm, 50 mm 의 피치길이를 갖는다. 실험영역은 물 질량 유속 범위 100 ~ 3060 kg/㎡s 이고, 공기 질량 유속 범위 5.02 ~ 60.3 kg/㎡s 로 유동기인 진동과 동압이 측정되었다. 질량유속과 건도가 증가함에 따라 유동기인진동이 증대되었다. 굴곡된 철사가 삽입시 질량유속증가에 따른 유동기인진동의 증가폭이 커졌고, 피치길이가 짧아짐에 따라 그 영향은 커졌다. 굴곡된 철사의 두께변화는 높은 질량유속 조건시 진동의 크기에 거의 영향이 없었으며, 개발된 실험식의 상관계수는 0.956 였다.
실험을 통하여 이상유동 조건시 굴곡된 철사가 삽입된 경우에 따른 유동기인진동을 예측할 수 있게 되었으며, 철사 삽입시 발생하는 임계열유속 증진정도와 진동에 의한 임계열유속 증진정도가 비교되었다. 임계열유속의 증진장치들은 유동기인진동을 유발하게 되며, 발생된 유동기인 진동에 의하여 임계열유속이 증진되기도 하지만, 진동에 의한 임계열유속의 증진정도는 증진장치에 의해 발생하는 난류 및 횡류에 의한 증진정도의 1% 미만의 매우 작은 값이었다. 임계열유속 증진을 위하여 진동이 사용되는 것은 진폭의 크기를 증대시켜야 하므로, 핵연료봉 손상을 유발하게 되어 비현실적이다. 임계열유속 증진 장치에 대한 개발은 증진정도 및 발생되는 유동기인 진동과 압력강하를 감소 할수 있는 방향으로 해야한다. 굴곡된 철사 삽입시 발생하는 임계열유속 증진정도를 발생하는 유동기인진동 및 압력강하에 대비하여 계산을통해 비교분석해 보았고, 질량유속조건 3000 kg/㎡s 기준으로 70mm 의 피치길이를 가진 철사가 가장 큰 효율을 보여주었다.
본 연구는 진동에 의한 임계열유속 증진정도를 고찰하여 관계성을 알아보았고, 굴곡된 철사 삽입시 발생하는 유동기인진동에 대한 실험식을 제시하여 굴곡된 철사를 이용한 임계열유속 증진장치 설계시 발생하는 유동기인진동을 고려할 수 있도록 하였다.
