In the present experimental study, the effect of the surface wettability on the two-phase flow pattern and pressure drop in round mini-channels was investigated for three different tube materials, i.e., glass, polyurethane and Teflon, respectively, with their inner diameters ranging from 1.46 to 2.16 mm. Water and methanol were used as the liquid phase whereas air as the gas phase.
The surface wettability was divided into three ranges: Highly wetting (θ < 50°), marginally wetting (50° < θ < 90°) and poorly wetting (θ > 90°) cases. Through a series of experiments, all the flow patterns could be classified into two groups, i.e., the wet- and the dry-flows. The wet-flow includes the wet-plug, wet-slug and annular flows as well as the bubbly flow. The dry-flow includes the dry-plug, dry-slug and the rivulet flows as well as the wavy flow. In general, the dry-flows appeared at the lower liquid superficial velocity region. Corresponding to each wettability range, the normalized liquid superficial velocities ($j_L^+$) were proposed and the condition of $j_L^+$ = 1 well represents both the lower limit of the wet-flow region and the upper limit of the dry-flow region. Finally, the generalized flow pattern maps pertinent to each wettability range were constructed and in good agreement with the previous report.
Among the various two-phase flow regimes in mini-channels, the plug flow appears very frequently. Here, the surface wettability determined the morphologies of two-phase plug flows, and eventually resulted in large difference in pressure drop. In the wet-plug flow regime (wet wall condition at the gas portions), the pressure drop was predicted by the homogeneous flow model or by the correlations of Mishima and Hibiki (1996) and Chisholm (1967) with reasonable accuracies. On the other hand, in the dry-plug flow regime (dry wall condition at the gas portions), the role of the moving contact lines turned out to be significant. That is, the pressure drop by the moving contact lines is an important factor to be considered in predicting the pressure drop in the dry-plug flow regime. A new pressure drop model was proposed taking account of the energy dissipation by the moving contact lines, which represents the experimental data within the mean deviation of 4 %.
본 논문에서는 표면 젖음성 (surface wettability)이 원형 미소 채널 내 2상 유동 양식 및 압력 강하에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 공기-물과 공기-메탄올 (methanol)을 실험 유체로 이용하고, 시험부로 내경 1.46-2.16 mm 의 유리관, 폴리우레탄 (polyurethane)관, 테플론 (Teflon)관을 사용하였다.
2상 유동 양식에 관한 연구의 경우, 표면 젖음성 조건을 highly wetting case (θ < 50˚), marginally wetting case (50˚ < θ < 90˚), poorly wetting case (θ > 90˚)로 구분하여 표면 젖음성이 2상 유동 양식에 미치는 영향에 관해 정량화를 시도하였다.
실험을 통해 관찰된 2상 유동 양식을 ？ 유동 (wet-flows)과 드라이 유동 (dry-flows)으로 나누었다. ？ 유동은 관 내부 표면에 액막이 존재하는 유동 양식을 의미하고, 기포류 (bubbly flow), ？ 플러그류 (wet-plug flow), ？ 슬러그류 (wet-slug flow), 그리고 환상류 (annular flow)가 이에 속한다. 반면에 드라이 유동 (dry-flows)은 관의 내부 표면 일부가 기체 부분과 직접 접촉하는 드라이 표면 (dry surface condition)이 존재하는 유동 양식을 의미한다. 파형류 (wavy flow), 드라이 플러그류 (dry-plug flow), 드라이 슬러그류 (dry-slug flow), 리뷰렛류 (rivulet flow)가 이에 속하고, 일반적으로 낮은 액체 유량 조건에서 나타났다. 각 표면 젖음성 조건에 대해 정규화된 액체 겉보기 속도 (normalized liquid superficial velocity, $j_L^+$)를 제안하였고, $j_L^+$ = 1 조건은 ？ 유동과 드라이 유동 영역의 한계를 잘 표현하였다. 최종적으로, 정규화된 액체 겉보기 속도를 이용하여 각 표면 젖음성 조건에 대해 일반화된 2상 유동 양식 선도를 제안하였고, 이는 기존 연구와 잘 일치하였다.
미소 채널 내에서는 플러그류가 자주 나타난다. 또한, 표면 젖음성은 플러그류 형태에 영향을 미치고, 이로 인해 압력 강하 차이를 유발한다. 따라서 본 연구에서는 표면 젖음성이 플러그류의 압력 강하에 미치는 영향에 관해 실험을 수행하였다.
？ 플러그류 영역의 경우, 기체나 액체의 겉보기 속도가 증가함에 따라 마찰 압력 강하가 증가하여 전체 압력 강하는 증가하였다. 본 실험 영역에서, ？ 플러그류 영역의 압력 강하 실험 데이터를 가장 잘 예측한 상관식은 Mishima와 Hibiki 상관식 (1996)이었고, mean deviation이 약 14.4 % 로 나타났다. 또한, 균질 유동 모델 (homogeneous flow model)과 Chisholm 상관식 (1967) 역시 mean deviation 21.7 % 이내로 ？ 플러그류 영역의 압력 강하 실험 데이터를 비교적 잘 예측하였다.
드라이 플러그류 영역의 경우, 기체 겉보기 속도가 감소하거나 액체 겉보기 속도가 증가함에 따라 전체 압력 강하가 증가했다. 기체 겉보기 속도가 감소하면 마찰 압력 강하는 감소하지만, 미소 채널 내 이동 접촉선 (moving contact line)의 수가 많아져서 전체 압력 강하가 증가하였다. 반면, 액체 겉보기 속도가 증가할 경우 전체 압력 강하가 증가하였는데, 이는 마찰 압력 강하가 증가하고 미소 채널 내 이동 접촉선의 수도 많아지기 때문이다. 즉, 드라이 플러그류 영역에서는 미소 채널 내 이동 접촉선에 의한 압력 강하가 중요한 인자임을 확인하였다. 본 실험 영역에서, 균질 유동 모델, Chisholm 상관식 (1967) 그리고 Mishima와 Hibiki 상관식 (1996) 모두 드라이 플러그류 영역의 실험 데이터를 과소 예측하였다. 이는 드라이 플러그류에 존재하는 이동 접촉선에 의한 에너지 소산의 영향이 기존 상관식에 반영되어 있지 않기 때문이다. 따라서, 드라이 플러그류 영역의 압력 강하를 예측하기 위해, 동접촉각 (dynamic contact angle) 상관식을 이용하여 이동 접촉선에 의한 에너지 소산의 영향이 반영된 새로운 압력 강하 상관식 (new pressure drop model)을 제안하였고, 이는 드라이 플러그류 영역의 압력 강하 실험 데이터를 mean deviation약 4 % 이내로 표현하였다.
향후 이루어져야 하는 연구는 다음과 같다. 본 연구에서 2상 유동 양식에 관한 연구의 경우, 총 4가지 기체-액체-고체 조합을 이용하여 실험을 수행하였다. 하지만 더욱 많은 조합을 이용한 실험을 통하여 2상 유동 양식 선도의 일반화 (generalization)에 대한 연구가 수행되어야 한다. 압력 강하에 관한 연구의 경우, 본 연구에서는 단열 조건 (adiabatic condition)에서 수행되었으나, 많은 응용 분야를 고려하여 볼 때 상변화 (phase change)를 수반하는 조건에서의 연구가 요구된다. 응축 (condensation)이 일어나는 경우 관내 액막이 존재하여 대부분 ？ 유동이 관찰될 것으로 예상되지만, 증발 (evaporation)이 일어나는 경우에는 관내에 형성된 얇은 액막이 순간적으로 파열 (rupture)되어 드라이 유동이 나타날 가능성이 존재한다. 한편, 드라이 플러그류 압력 강하 실험 결과로부터, 압력 강하가 2상 혼합기 (two-phase mixer)에 의해 크게 영향받는다는 것을 알 수 있었고, 따라서 2상 혼합기에 대한 연구가 수행될 필요가 있다.
