In the present study, the instantaneous behavior of two-phase plug flows at a microscale branching T-junction was examined through numerical simulation and the results were validated by comparing with the experimental results. Once the plug flow, which consists of elongated bubbles (air) and liquid slugs (water), is introduced regularly to the main channel (upstream channel), the flow is divided into the run channel (in the same direction with the main) and the branch channel (perpendicular to the main) at the downstream. The present study focused on dependence of the split ratio of the bubbles on the volumetric flow rates through the main and the branch as well as on the bubble length (size) at the upstream. The tests were performed for a horizontal T-junction with the square cross section of 600 × 600 μm2. The total superficial velocity and the bubble volume in the main were in the range of 0.2 ？ 1.0 m/s and 0.115 ？ 1.66 mm3 (corresponding to the bubble length of 0.58 ？ 5.6 mm), respectively, and the fraction of the volumetric flow rate taken off to the branch was varied from 0 to 1. Three different distribution modes were observed, namely, non-breakup/run-flow (NB/R) mode, non-breakup/branch-flow (NB/B) mode and breakup (B) mode. The flow distribution changes from NB/R mode to B mode, and then to NB/B mode as the fraction of the volumetric flow rate was increased. Also, B mode is unlikely to occur as the bubble length or the superficial velocity in the main are decreased. To predict the split ratio of bubbles at the T-junction, the instantaneous bubble motion and the gas flow rates through the run and the branch were observed in detail. When the nose and the tail parts of a bubble were passing the T-junction region, the distribution of the gas phase to the downstream channels were seriously unbalanced, whereas an even distribution appeared while the body (center) part of the bubble were passing. Therefore, the degree of the mal-distribution of an entire bubble is mostly governed by the behavior of the nose and the tail parts. As the fraction of the volumetric flow rate and the total superficial velocity in the main were increased, the degree of the mal-distribution became higher. In case of the shorter bubble, the portions of the nose and the tail parts became larger and hence the mal-distribution to the branch appeared prominent. A new model for predicting the split ratio of the bubble to the branch were proposed and showed a good agreement with the measured values obtained by a series of the validation experiments.
본 연구에서는, 마이크로 크기의 분지형 T-분기관에서의 2상 플러그류의 순간적인 거동이 수치적으로 모사하였으며, 이를 실험적으로 검증하였다. 기포(공기)와 액체 슬러그(물)로 구성된 플러그류가 입구관(상류)에 규칙적으로 주입되면, 그 유동은 하류의 출구관(입구관과 같은 방향)과 분지관(입구관에 수직한 방향)으로 분배된다. 이때, 본 연구는 기포의 분배율에 대한 입구관과 분지관의 유량 및 기포의 길이(크기)의 영향을 조사하였다. 분배 시험은 600 × 600 μm2의 정사각 단면을 갖는 수평 T-분기관에 대해 수행되었으며, 입구관에서의 총 겉보기 속도와 기포의 크기 및 분지관으로의 유량비는 각각 0.2 ？ 1.0 m/s, 0.115 ？ 1.66 mm3 (기포 길이로는 0.58 ？ 5.6 mm) 및 0 ？ 1로 변화시켰다. 그 결과, non-breakup/run-flow (NB/R) 모드, non-breakup/branch-flow (NB/B) 모드, breakup (B) 모드와 같은 서로 다른 세 개의 분배 모드를 확인하였으며, 분지관으로의 유량비가 증가함에 따라 분배 모드가 NB/R 모드에서 B 모드, NB/B모드의 순서로 발생함을 확인하였다. 또한, 기포 길이와 입구관의 총 겉보기 속도가 특정 조건보다 작은 경우에는 B 모드가 발생하지 않았다. 한편, T-분기관에서의 기포의 분배율을 예측하기 위해, 기포의 순간적인 거동과 출구관 및 분지관으로의 순간적인 기체 유량을 자세하게 관찰하였다. 기포의 선단부와 후단부가 T-분기 지역을 통과할 때에는 기체가 불균등 분배를 보이는 반면, 기포의 본체가 통과할 때에는 균등 분배가 발생하였다. 따라서 전체 기포의 불균등 분배의 정도는 선단부와 후단부의 거동에 지배됨을 확인하였다. 또한 분지관으로의 유량비와 입구관의 총 겉보기 속도가 증가할수록 불균등 분배의 정도는 증가하였다. 그리고 기포의 길이가 짧아질수록 전체 기포에 대한 선단부와 후단부의 부피 비가 증가하기 때문에 불균등 분배의 정도는 더 증가하였다. 최종적으로 분지관으로 분배되는 기포의 분배율을 예측할 수 있는 새로운 모델을 제안하였으며, 이는 검증 실험 결과와 잘 일치하였다.
