In this study, CHF enhancement by various mixing vanes was evaluated and the flow characteristics were investigated through the CHF experiments and CFD analysis.
CHF tests were performed using 2x2 and 2x3 rod bundles and R-134a as a working fluid. Test section geometry was the same as that of commercial PWR fuel assembly except the heated length (1.125m) and number of fuel rods. From the CHF tests, it is founded that the CHF enhancement by mixing vanes under higher mass flux (1400 kg/㎡sec) and lower pressure (15 bar) conditions is bigger than the CHF enhancement under other conditions. Among the mixing vanes used in this study, the swirl vane showed the best performance under relatively low pressure (15 bar) and mass flux (300~1000 kg/㎡sec) conditions and the hybrid vane was the best near the PWR operating conditions. It is also found that there exists an optimum angle of mixing vane to maximize the CHF enhancement ratio.
Along with the experiments, detailed flow characteristics were investigated by CFD analysis using the same conditions as the CHF tests. For calculation of subcooled flow boiling, the wall partitioning model was applied to the wall boundary and various two-phase parameters were also considered. The reliability of CFD analysis in boiling analysis was checked by comparison of average void fractions of analysis and experiments and they were well agreed. From the CFD analysis, void fraction flattening by the lateral velocity induced by mixing vane was observed. By the lateral motion of liquid, void fraction in near wall was decreased and that of core region was increased: the void fraction flattening. The decrease of void fraction in near wall region promotes liquid supply to the wall and consequently the CHF can be increased. For the quantification of the void flatness, an index was developed and applicability of the index in CHF assessment was confirmed.
On the contrary, the critical void fraction achieved by CFD analysis was not a constant: Weisman and Pei suggested 0.82. The critical void fraction achieved by the CFD analysis was a function of the average void fraction and agreed well with Kataoka’s critical void fraction correlation.
In summary, by the experiments and CFD analysis, the existence of optimum vane angle was confirmed and the possible use of CFD tool in mixing vane design was demonstrated.
혼합날개는 가압 경수로용 핵연료의 구성 품 중의 하나로서 핵연료의 열전달 증가 및 임계열유속 증진을 통하여 핵연료의 열적 성능을 향상 시키는 역할을 한다. 본 연구는 이러한 혼합날개의 임계열유속 성능 평가를 일반 핵연료의 축소 규모인 2×2, 2×3 봉다발 형상에서 수행하였다. 임계열유속 실험에 사용된 시험편은 최 외곽이 사각형 형상으로 되어 있으며 그 안에 9.5mm 지름을 가지는 가열 봉이 삽입되어 있다. 이 때, 가열봉사이의 간격은 3.15mm이며 봉과 벽면과의 간격은 1.575mm이다. 이 가열 봉은 전기적 방법에 의해 직접 가열되며 그 가열 길이는 1.125m 이다. 작동 유체로는 R-134a를 이용하였다. 이는 시험편 입구에 30kJ/kg에서 90kJ/kg의 입구 미포화도를 가지고 수직방향으로 공급된다. 이때 유량은 300kg/m2s에서 1800kg/m2s의 값을 가지며 시스템 압력은 15bar에서 25bar이다. 이러한 수직 봉다발을 이용한 임계열유속 실험에서는 혼합날개의 각도 및 형상 그리고 위치에 따른 임계열유속 증진이 조사되었다. 일반적으로 임계열유속의 증진율은 압력과 유량이 증가하고 입구미포화도는 감소하는 경우에 증가한다. 이러한 증진율은 강한 와류가 주로 발생하는 와류형성 혼합날개에 대해서는 상대적으로 낮은 압력 낮은 유량에서 더욱 증진하였으며 고압고유속 조건에서는 복합유동형성 혼합날개의 성능이 우수하였다. 혼합날개의 각도에 대해서는 30도일 경우 최적 각도를 가지며 이보다 큰 각도에서는 오히려 임계열유속 증진율이 감소하는 경향을 보였다.
본 연구는 이러한 임계열유속 실험의 결과와 연계하여 전산유체 해석도 병행하여 수행하였다. 이 해석은 임계열유속 실험과 동일한 조건에서 수행되었으며 혼합날개 전 후의 유동 특성이 관찰되었다. 모든 유동해석은 미포화 비등의 비등 현상을 묘사할 수 있는 비등 분할 모델을 이용하여 해석이 수행되었으며 상 간의 경계 면에서의 질량, 운동량, 에너지 전달을 고려하여 보다 실제적인 이상유동 묘사를 수행하였다. 혼합날개에 의한 이상유동의 가장 큰 특징은 횡방향의 유동의 생성이다. 이 유동의 생성은 부수로 간의 기상 및 액상을 재배치시키는 역할을 수행한다. 이러한 횡방향유동은 크게 와류와 횡류 두 가지로 나뉘게 된다. 이 횡방향유동은 유동이 진행되면서 그 크기가 사라지게 되지만 이 유동에 의한 상의 재배치 영향은 계속 유지된다. 이러한 상의 재배치는 국부적으로 임계열유속 취약지점의 기공율을 감소시켜 임계열유속을 증진시키는 역할을 한다. 실험과 연계하여 임계열유속과 직접적인 연관인 있는 변수를 찾기 위해 다양한 변수들과 임계열유속 증진율간의 상관관계를 관찰한 결과 기공율의 평균화와 선형적인 관계가 있음이 조사되었다.
이에 더하여 원형관에 형상에 대해 임계열유속 조건에서의 CFD 해석을 수행하였다. 이 해석을 통하여 기존의 기포 군집 모델에서 제시한 임계열유속 조건인 벽면 기공율이 0.82로 일정하다는 사실과는 달리 임계열유속 조건에서 벽면 기공율은 평균 기공율의 함수로 표현 되며 Kataoka가 제시한 상관식과 유사한 값을 가지는 것을 확인하였다. CFD 해석 결과 이 벽면 기공율은 임계열유속 증진 장치 등에 의해 감소되며 따라서 임계열유속이 증진 된다. 결과적으로 벽면 기공율이 평균 기공율로 표현되는 개선된 임계열유속 조건을 제시하였다.
