The onset of the flow instability (OFI) and critical heat flux (CHF) in narrow rectangular channels are very crucial subjects for design and safety analysis concerning the systems such as high power research reactors (RRs) using plate-type fuels, since the phenomena could lead damage to fuels due to the initiation of local degradation of heat transfer. Therefore, experimental and analytical studies listed below have been performed to improve the understanding and predicting performance of both phenomena in a narrow rectangular channel heated on both sides, focusing on low pressure and low mass flux (LPLF) conditions, in consideration of transient or abnormal conditions of RRs.
First, two-phase flow excursion instability (FI) especially for a downward flow was experimentally investigated. Three test channels with different gap sizes (2.5, 3.3 and 4.1 mm) for the same channel width (40 mm), the heated width (30 mm) and the length (350 mm) were adopted for the experiment. In addition, top plenum was opened to simulate a single channel of multi-channels in open-pool-type RRs. For several im-posed heat flux values ($ranging 0-1000 kW/m^2$) and high inlet subcooling (43-75 K), subcooled flow boiling was investigated while reducing the fluid mass flux starting from a sufficient high-mass-flux condition (i.e. mass-flux-controlled system) up to the occurrence of the flow excursion. The minimum mass flux conditions in which a stable flow is sustainable were identified via 47 FI data points and were compared with relevant correlations. The results showed that FI was highly affected by gap size of channel, and therefore new empirical correlation reflecting the gap effect were suggested. The visualization of the flow boiling using a high speed camera was clearly demonstrating that the FI is triggered by the abrupt increase of pressure drop due to the coalescence of facing bubbles (for Pe < 14000) or wavy vapors (for Pe > 14000) on opposing heated surfaces, rather than onset of significant void (OSV), which has been generally conceptualized.
Secondly, the characteristics of premature and stable CHF for downward flow were experimentally investigated using a narrow rectangular channel with gap of 2.35 mm. The flow boiling was developed as the wall heat flux was increased for the imposed mass flux of 500 and $1000 kg/m^2s$, and inlet subcooling of 52 -74 K (i.e. heat-flux-controlled system). In addition, top plenum was closed to adopt inlet throttling, while lower plenum was connected to the open pool so as to maintain atmospheric pressure at the exit. The results showed that pressure drop fluctuation was inherently involved in the flow boiling, regardless of the amount of throttling, after a distinct initiating point called as the onset of pressure drop fluctuation (OPDF). It was also verified that coalescence of bubble (or vapor) layers on opposing heated surfaces triggered the OPDF as the expansion of the liquid-vapor interface became bounded by the other layer on the opposite side. The fluctuation was amplified as the exit quality was increased and the flow regime passed through the unstable slug or churn flow. For low inlet throttling conditions, premature CHF was induced at the maximum fluctuation during those flow regimes. On the other hand, stable CHF was obtained in the re-stabilized flow regime as the annular flow was developed only for large inlet throttling conditions with an additional pressure drop across the valve of more than 0.4 bar for the experimental configuration.
Thirdly, a database including 62 OPDF data and 54 CHF data was constructed with additional experimental data for various system settings. 24 CHF data were stable CHFs, which were identified based on the characteristic of pressure drop fluctuations. Parametric trends analysis, flow regime analysis and correlation assessment were performed with the database. Based on the analysis, the upper and lower limits of CHF were newly proposed. Especially for stable CHF, it was verified that the onset of liquid entrainment in the annular flow triggered stable CHFs for downward flow in a narrow rectangular channel, instead of onset of slug or churn-annular flow transition, which was proposed in relevant literatures. In addition, it was certified that the limited systematic effects such as plenum or heater material effect was involved in the database.
Fourthly, we conducted more detailed investigations focusing on the growth of bubble layers (BLs) not only for downward flow but also for upward flow. Furthermore, image processing algorithm was newly developed to automatically extract quantified bubble layer thickness (BLT) from vast number of images. It was verified that triggering mechanism is identical for both upward and downward flow from visualization, that is bubble blockage due to mergence of facing BLs on opposite side, but OFI for upward flow occurred at 25 % higher heat flux under same fluid conditions. Total 194 BLT data were obtained for various fluid conditions by using image processing algorithm. Parametric trends analysis showed that the maximum BLT increases with increasing heat flux, and decreasing mass flux and inlet subcooling. From the results, R factor which has been utilized as a key parameter in existing OFI and OSV correlations was adopted for development of new correlation. It was well represented that OFIs were enhanced for upward flow against downward flow due to delay of BL growth and the merging phenomena. Finally, new mechanistic model based on force balance approach was proposed for the prediction of the merging point and therefore OFI, since maximum BLTs were comparable to bubble departure diameter.
좁은 사각채널에서의 유동불안정개시 및 임계열유속은 국부적인 열전달 저하로 인한 핵연료 손상을 야기시킬 수 있으므로, 판형 핵연료를 사용하는 고출력 연구용 원자로의 설계와 안전평가에 가장 핵심적인 사안이다. 이에 따라, 유동불안정개시 및 임계열유속 현상에 대한 이해 증진 및 예측도 향상을 목표로, 본 연구에서는 연구용 원자로의 과도 상황과 관련한 저압/저유속 영역에 주목하여, 좁은 사각채널에서의 유동불안정개시 및 임계열유속에 대한 다음과 같은 실험적, 분석적 연구를 수행하였다.
첫째, 양면이 가열되는 좁은 사각채널, 하향유동에서 유동이탈 발생 지점에 대한 실험적인 연구를 수행하였다. 채널 너비, 가열 너비 및 가열 길이가 각각 40, 30, 350 mm이며, 2.5, 3.3, 4.1 mm의 간극을 가진 세 종류의 채널이 사용되었으며, 주어진 열유속 조건에서 유동이탈 발생 점까지 유량을 감소시키는 유속 조절 시스템에서 실험이 수행되었다. 또한, 수조에 잠긴 핵연료와 같이, 다중관에서의 개별관과 유사한 조건을 모사하기 위해 채널 상부 개방 조건에서 실험이 수행되었다. 43-75 K의 입구 미포화도, $0-1000 kW/m^2$의 열유속 조건에서 총 47개의 유동이탈개시 데이터가 생성되었고, 이를 이용해 기존의 상관식과 비교 분석을 수행하였다. 그 결과, 유동이탈 발생에 채널 간극이 미치는 영향이 큼을 확인하였으며, 이를 반영해 기존의 상관식을 개선하여 새로운 상관식을 제시하였다. 기존에 인식되었던 급격한 기포발생점과는 달리, 유동이탈이 양 가열 면에서 성장한 기포 또는 웨이브 형태의 기포층이 서로 병합하면서 수반되는 급격한 압력강하의 증가로 인해 발생함을 유동 구조 가시화를 통해 보였다. 아울러 좁은 사각채널에서 페클렛 수, 14,000을 기준으로 기포 성장 과정이 열적 성장에서 수력학적 성장으로 천이되면서 기포층의 형태가 변화하는 것을 확인하였다.
둘째, 좁은 사각채널, 하향유동에서 이른 임계열유속과 안정된 임계열유속의 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 2.35 mm간극의 채널이 사용되었으며, 임계열유속에 도달하기 위해 유속 ($500 또는 1,000 kg/m^2s$) 과 미포화도 (52-74 K)를 일정하게 유지하며, 열유속을 증가시키는 열유속 조절 시스템에서 실험이 수행되었다. 또한, 입구 쓰로틀링을 가하기 위해, 채널 상부를 닫고, 출구의 압력이 대기압으로 유지될 수 있도록 시스템을 변경하였다. 실험 결과, 입구 쓰로틀링에 관계없이 압력강하요동개시 시점 이후로 압력강하의 요동이 항상 수반됨을 확인하였으며 이 또한, 양 가열 면의 기포층 병합, 즉 경계층의 확장이 반대쪽 경계에 의해 제한되기 시작하면서 발생함을 확인하였다. 압력강하요동의 진폭은 출구 건도가 커짐에 따라 증가하며, 유동 영역이 불안정한 슬럭류 또는 천류를 나타냄을 확인하였다. 이른 임계열유속은 낮은 쓰로틀링 조건에서, 이러한 내재적으로 발생하는 불안정 유동에 의해 발생하였으며, 이때 최대 요동 진폭을 나타냄을 관찰하였다. 이에 반해, 안정된 임계열유속은 환상류로 천이 됨에 따라 요동 진폭이 다시 감소되는 영역에서 발생하며, 이를 위해 0.4 bar 이상의 압력강하를 동반한 높은 입구 쓰로틀링이 요구되었다.
셋째, 다양한 시스템 조건에서 압력강하요동개시와 임계열유속 데이터를 추가하여 데이터 베이스를 구축하였다. 압력강하요동개시의 데이터 수는 62개이며, 임계열유속 데이터는54개로, 안정된 임계열유속 데이터는 총 24개이다. 이때, 안정된 임계열유속은 앞서 제시된 압력강하 요동 추이 특성을 기준으로 이른 임계열유속으로부터 구분되었다. 데이터 베이스에 대해서 매개 변수 추이 분석, 유동 영역 분석 및 상관식 비교 분석 등을 수행하였으며, 이를 통해 임계열유속의 최대 한계와 최소 한계를 새롭게 제시하였다. 특히 안정된 임계열유속의 경우, 기존에 제시되었던 슬럭류 이탈 혹은 천류-환상류 천이와는 달리, 액적이탈 개시에 의해 임계열유속이 발생함을 확인하였다. 아울러 안정된 임계열유속과 압력강하요동개시 모두 플레넘 효과 또는 재질 효과 등의 시스템 영향이 미미함을 확증하였다.
마지막으로, 좁은 사각관 내에서의 상향유동 및 하향유동에서 기포층 성장에 주목하여, 보다 상세한 추가 연구를 수행하였다. 아울러, 다수의 이미지를 바탕으로 수치화된 기포층 두께를 획득하기 위해 이미지 처리 알고리즘을 새로이 개발하였다. 실험 결과, 상향유동에서도 동일하게 압력강하요동개시 시점에서 양 기포층 병합에 의한 기포 막힘 현상이 관찰되었으나, 압력강하요동개시는 동일한 입구 조건에서 하향유동에 비해 25% 높은 열유속에서 발생함을 확인하였다. 개발된 이미지 처리 알고리즘을 통해, 총 194개의 최대 기포층 두께 데이터를 획득하였으며, 매개 변수 분석을 통해 열유속이 증가할수록, 입구 미포화도 및 질량유속이 감소할수록 기포층이 성장함을 확인하였다. 이를 통해, 유동 불안정 개시의 핵심 변수인 R 인자를 활용하여 새로운 상관식을 제시하였으며, 상향유동에서는 하향유동에 비해 R 인자 증가 대비 증기층 성장이 감소되므로 병합 시점의 지연 즉, 유동불안정개시의 증진이 나타남을 보였다. 마지막으로 기포층이 기포 이탈 직경에 대응되며, 부력 효과에 영향을 받는 것에 착안하여, 기포에 작용하는 힘 평형 접근을 통해 기포층 성장 및 기포층 병합을 예측하여 유동불안정개시 열유속을 예측하는 새로운 기구학적 모델을 제시하였다.
