Through the extensive reviews on the prediction of critical heat flux (CHF), which is characterized as an apparent rise of the wall temperature due to a sharp reduction of the local heat transfer coefficient, it is recognized that the fundamental understanding for the CHF phenomenon at low qualities (or subcooled flow boiling) is unsatisfactory compared with that at high qualities. Therefore the mechanistic modeling of the former is naturally required to identify the crucial mechanism leading to CHF and to comprehensively predict the CHF at low qualities.
For this reason a mechanistic model based on the fundamental mechanism devised from already established visual observations is developed. The fundamental mechanism is expressed by a physical criterion of CHF occurrence and a process limiting the thermal transport between a stagnant bubbly layer and bulk stream. Based on this mechanism a CHF formula can be mathematically formulated by coupling the equation of limiting mixing-mass-flux, which is derived from momentum balance equations in two regions, with local mass and energy balance equations on the bubbly layer. The resulting form of the model is represented by a general and straight forward CHF formula involving two empirical constants related to the void fraction and the thickness of the bubbly layer.
The preliminary validation is performed to verify the validity of the model and to adequately determine two empirical constants over an extensive CHF data of water in uniformly heated tubes. Various sensitivity studies are also performed to investigate the influence of various constitutive models as well as the acceleration and buoyancy terms in force balance on the CHF formula. From the preliminary validation and the sensitivity study of the model, it is proved that the prediction based on the model is successful and that the effects of the acceleration and buoyancy terms are negligible. It is also recognized that some model refinement for constitutive models is required.
After some model refinement, the predictions based on the refined model agree well with a data set randomly sampled from the well established CHF data bank of water. The comparison of the predicted and measured critical heat fluxes for the cryogenic fluids such as liquid helium and nitrogen is also performed. The CHF prediction of these cryogenic fluids is essential for estimating the limiting thermal-hydrodynamic conditions to stabilize the superconductor systems. In addition the cryogenic fluids, especially liquid helium-I, are frequently used to simulate the behavior of the CHF of water at very high pressures since the thermodynamic properties of these fluids are similar with those of water at near the critical pressure. The mechanistic predictions agree well with the experimental data set available in the published literature.
Some weak points of the developed model are observed in the region of low mass flux and inlet subcooling under low pressure, and in the case of very high inlet subcooling as well as low or very high mass flux under very high pressure. These defects seem to result from the mismatched selection of two empirical constants or the physical limitation of the model according to a change of flow pattern from turbulent bubbly flow or a peculiar characteristics of the CHF phenomenon such as the so-called upstream boiling crisis. Further studies for these aspects are recommended.
비등현상(boiling phenomena)에서의 임계 열유속 (critical heat flux)은, 열전달면 근처의 액체가 기체로 바뀌면서 현저한 열전달계수의 감소를 가져와 열전달면의 뚜렷한 온도상승이 일어날 때의 열유속으로 정의된다. 이와같은 임계 열유속의 예측은 각종 열교환기의 성능해석및 설계에 있어 핵심적 과제로 널리 연구되어 왔다. 특히 이런 연구는, 원자로개발과 함께 원자로를 안전하게 운전할 수 있는 최적 열부하 조건을 찾기위한 연구와 관련하여 집중적으로 수행되었다.
본 논문에서는, 광범위한 자료조사를 통해 서브쿨드 유동비등(Subcooled Flow Boiling)에서 임계열유속으로 이끄는 근본적인 역학구조(fundamental mechanism) 에 대한 이해와 임계 열유속의 포괄적 예측이 크게 부족함을 인식 하였고, 임계 열유속 예측을 위한 역학적 모델을 세워 그것의 근본적인 역학구조를 확립하고 포괄적 예측이 가능하도록 하는데 그 목표를 두었다.
본 논문에서는 기존의 가시적 관찰들(visual observations)과 실험 결과들의 해석을 통해 임계열유속의 근본적 역학구조를 설정하였다. 이 역학구조는 주류(bulk stream)와 벽면근처에 존재하는 기포층(bubbly layer) 사이의 열전송(thermal transport)을 제한하는 열수력학적 작용(thermal-hydrodynamic process)과 물리적 임계열유속 발생조건으로 짜여져 있다. 이 역학구조를 바탕으로 해서, 임계 열유속 예측을 위한 공식이 기포층에서의 국부 적 질량및 에너지 보존 방정식들과 주류와 기포층에서의 운동방정식들로 유도된 한계 혼합질량유속 방정식(limiting mixing-mass-flux equation)을 결합함으로써 유도되었다. 유도된 임계열유속 방정식은 간단하면서도 일반적인 특성을 가지며 두 개의 실험상수들을 가짐이 그 특징이다. 이 상수들은 기포층의 두께와 기포율에 관계된 것들로서 광범위한 임계열유속 실험 데이타들로 부터 시행착오법 에 의해 결정될 수 있다.
균일하게 가열된 관내에서 물을 작업유체로 한 광범위한 임계 열유속 실험치를 바탕으로, 개발된 역학적 모델의 검증과 민감도 분석이 행하여 졌다. 이를 통해 임계열유속 방정식에 포함된 두개의 실험 상수들이 적절히 결정될 수 있고 광범위한 영역에서 임계열유속을 성공적으로 예측할 수 있으며 운동 방정식에 포함된 가속력 항과 부력항의 영향력들이 무시될 만함이 입증되었다. 또 개발된 모델에 사용된 보조모델 들의 민감도 분석을 통해 보조모델들의 약간의 수정이 이루어졌다.
수정된 모델로 물을 작업유체로 하는 보다 광범위한 임계열유속 실험치들에 대한 예측이 보다 효과적인 방법을 통해 수행되었다. 또한 액체질소나 헬륨과 같은 저온 유체 (Cryogenic fluids)에 대한 임계열유속의 예측도 수행되었다. 저온유체에 대한 임계열유속의 예측은 점증하는 초전도체 공학(superconductor engineering)에서 요구되는, 초전도체를 안정시키기 위한 한계 열수력학적 조건(limiting thermal-hydrodynamic condition)을 규명하는데 이바지할 수 있다. 또 이러한 저온유체를 사용한 임계열유속 실험은 물로써는 실험하기 어려운 고압에서의 임계열유속 거동을 관측 가능토록 한다. 왜냐하면 물의 임계압력 근처에서의 열역학적 상태량들(thermodynamic properties)과 저온 유체들(특히 액체 헬륨)의 그것들과는 비슷한 특성을 가지기 때문이다. 처음으로 시도된 역학적 모델을 통한 이러한 저온유체들의 임게열유속 예측은 다수의 발표된 실험치 영역에서 성공적이었다.
개발된 모델의 주요 약점은 저압력하에서 저유속이고 또한 낮은 입구 서브쿨링(low inlet subcooling)을 가진 경우와 매우 높은 압력하에서 높은 입구 서브쿨링(high inlet subcooling)을 가진 경우, 그리고 저유속 또는 매우 고유속인 경우에서의 예측의 부정확성에 있다. 이러한 결함은 유동변환(flow pattern change)과 특이한 임계열유속의 특성들에 따른 개발된 모델의 물리적 한계와 채택된 실험 상수들의 부적합성등에 기인한 것 같다. 이러한 면들에 대한 차후연구의 방향들을 끝으로 제시하였다.
