The present study deals with numerical analyses for the reduction mechanisms of momentum and heat transfers in a turbulent dilute gas-particle two-phase flow through a vertical pipe.
In the first part of the present work, the "two-fluid model" has been incorporated with Lumley's drag reduction model to analyze the mechanism of momentum transfer. The change of the effective viscous sublayer thickness by the presence of particles is modeled by Lumley's theoretical model. The eddy viscosity of the gaseous phase is obtained by a turbulent kinetic energy in equilibrium and the eddy viscosity of the particulate phase is modeled by analysing the diffusive mechanism of particles in the turbulent flow. The numerical computations of the friction factor and the pressure drop in a fully developed pipe flow by the present theory are in good agreement with the corresponding experimental data for an average particle size of 15 ㎛. It is proved that Lumely's model is successful in predicting the correct reduction behavior of the drag in the gas-particle flow has been found to be dependent on the particle relaxation time, Kolmogoroff time scale and the solids-gas loading ratio.
In the second part, a "two-fluid model" using a thermal eddy diffusivity concept and Lumely's drag reduction theory, is proposed to analyze heat transfer of the turbulent dilute gas-particle flow in a vertical pipe with constant wall heat flux. The thermal eddy diffusivity model is derived to be a function of the ratio of the heat capacity-density products $\overline{\rho}$Cp of the gaseous phase and the particulate phase and also of the ratio of thermal relaxation time scale to that of turbulence. At low loading ratio, the size of the viscous sublayer thickness is important for suspension heat transfer, while at higher loading the effect of the ratio $\overline{\rho_p}Cp_p/\overline{\rho_f}Cpf$ is dominant. The major cause of decrease in the suspension Nusselt number at low loading ratio is found to be due to the increase of the viscous sublayer thickness. Predicted Nusselt numbers using the present model are in satisfactory agreement with available experimental data both in pipe entrance and the fully developed regions.
고체 입자가 부상된 2상 난류 관유동에서 마찰저항과 열전달의 감소현상을 수치적 방법을 통하여 연구하였다.
먼저, 2유체 방정식 모델을 이용하여 고체 입자가 부상된 2상 유동을 수치 해석하였다. 입자의 존재로 인한 층류저층의 두께 변화는 Lumley의 마찰저항 감소모델을 이용하였고, 기체상의 와점성 계수는 난류 운동 에너지의 생성과 소멸의 평형조건에 근거하여 얻은 모델을 이용하였다. 그리고 입자상의 와점성 계수는 난류 유동에서 입자의 확산기구를 해석하여 얻은 모델을 사용하였다. 본 연구의 여러 모델들을 2 유체 방정식 모델에 포함시켜 계산한 결과, 완전히 발달된 관유동의 마찰계수와 압력강하가 15㎛의 평균 입자 직경을 갖는 실험과 일치하였다. 따라서 Lumley의 이론적 모델은 2상 기체-고체입자부유유동의 마찰저항의 감소거동을 잘 예측하는 것으로 나타났으며, 수직관에 고체입자가 부상되었을때 유효 층류저층 두께는 입자의 이완시간, Kolmogoroff 시간척도와 부하도에 종속됨을 알 수 있었다.
그리고 본 연구에서 새로 유도한 난류 열확산 모델과 Lumley의 마찰저항 감소이론을 사용한 2유체 방정식 모델로 균일한 열 유속을 갖는 수직관에 고체 입자가 부상할 때의 열전달 유동을 수치 해석하였다. 새로 유도된 난류 열확산 모델은 기체상과 입자상의 정압비열과 체적밀도의 곱의 비와 난류의 시간 척도와 입자의 열 이완 시간의 비를 포함하고 있다. 이러한 모델로부터 계산된 결과에 의하면, 부하도가 작을 때에는 점성저층 두께의 크기가 부유 열전달에 중요한 반면, 부하도가 큰 경우에는 $\overline{\rho_p}Cp_p/\overline{\rho_f}Cp_f$ 의 효과가 부유 열전달에 더 중요함을 알수가 있었다. 따라서 부하도가 낮을때 열전달이 크게 감소하는 이유는 점성저층의 두께가 크게 증가하기 때문이다. 현재의 모델을 사용하여 예측된 누셀트 수는 열입구부와 완전히 발달된 지역에서 실험자료와 잘 일치한다.
