A three dimensional finite element method is developed in order to analyze multidimensional phase distribution phenomena and the turbulent structure of fully developed turbulent single and two phase flows. In this paper, fully developed two phase flow phenomena are considered without the consideration of thermal effects. three dimensional turbulent single phase flows are studied including the thermal effects.
The main purpose of this study is to understand the phase distribution mechanism in single and two phase flow, i.e., to understand the hydrodynamic aspects of phase distribution phenomena, and makes it possible to predict the phase distribution numerically.
Most situations of applications occur in the complex geometry so the finite element method is used to treat the geometric complexity easily. General finite element formulation for two phase flow is derived using patched finite element method. The Galerkin weighted residual method and the subregion balancing method are used for the local finite element matrix formulation. Also, penalty finite element method is introduced to remove the complexity of pressure term.
The physical model is based on a two fluid model of two phase flow and the calculated results are compared with available experimental data. It can predict phase distribution, and velocity distribution including wall and core peaking phenomena in fully developed two phase flow in variety of ducts. Sensitivity studies for the several parameters are performed through numerical experiments using developed method.
The developed program makes it possible to analyze phase distribution phenomena in a circular tube, which has been impossible for the state-of-the arts computer code. Temperature and velocity distribution in rod bundles can be exactly predicted in case of single phase turbulent flow using a developed program. Also applications are made for the variety of ducts such as nuclear reactor fuel rod bundles.
본 논문에서는 완전히 발달된 단상 또는 이상 난류 유동에서의 상분포 현상의 해석을 위한 삼차원의 유한 요소법을 연구하고 있다. 단상 유동에서는 에너지 보존 방정식이 고려되고 있으나, 이상 유동의 경우에는 복잡성을 피하기 위해 에너지 보존 방정식을 고려하지 않는다.
이 논문의 주된 목적은 단상 또는 이상 유동에서의 상분포 메카니즘을 규명하여, 상분포 현상을 수치적으로 예측할 수 있도록 하는 것이다. 대부분의 상분포 현상은 복잡한 구조에서 발생하고 있으며, 복잡한 구조를 쉽게 처리하기 위하여 유한 요소법을 사용하였다. 복합(patched) 유한 요소를 사용하여 이상 유동에 적용할 수 있는 일반적인 유한 요소법을 유도하였다. 국부 유한 요소 행렬을 구하기 위하여 Galerkin weighted residual 방법과 subregion balancing weighted residual 방법을 사용하였다. 압력항에 의한 계산상의 어려움을 극복하기 위하여 penalty 유한 요소법을 사용하였다.
이상 유동의 경우 이상 유동 모델을(two fluid model) 사용하였고, 계산된 결과를 실험 데이타와 비교하였다. 연구된 방법은 여러 형태의 유동 구조에 대해 완전히 발달된 이상 유동에서 관벽과 관중심에 기포가 모이는 상분포 현상을 잘 모사하고 있다.
개발된 방법을 이용하여 여러가지 인자에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 민감도 분석에 따르면 상분포를 유발하는 가장 중요한 인자는 수평 방향의 turbulent shear force와 lateral lift force인 것으로 나타났다.
개발된 코드는 현재까지의 컴퓨터 코드가 예측할 수 없었던 튜브에서의 상분포 현상을 해석할 수 있었다. 개발된 코드를 이용하여 단상 난류 유동의 경우 봉다발 내에서의 온도 및 속도 분포를 정확히 예측할 수 있었다. 이상 난류 유동의 경우는 실험인자의 부족으로 이해 정량적인 결과는 얻을수 없었지만, 정성적인 분석이 가능하였다. 정량적인 해석이 가능하려면 turbulent shear force와 lateral lift force에 대한 보다 정확한 모델의 개발이 선행되어야 할 것이다.
