The condensation-induced waterhammer in a horizontal pipe is the most damaging form of waterhammer and its diagnosis is extremely difficult because of the complex nature of the underlying phenomena that occur at the steam-water interface. The current modeling concepts do not predict well the lower and upper boundaries of the waterhammer accident occurred at San Onofre nuclear power station.
In the present work, improved models that can predict the lower and upper boundaries of the initiation of waterhammer induced by steam-water countercurrent flow in a long horizontal pipe is derived. In the analysis the interfacial friction factor, the criterion of onset of waterhammer, and the interfacial heat transfer coefficient are the major constitutive relations, but there are several limited ranges in the application of current correlations being used.
Several experiments have been conducted in adiabatic counter-current stratified flow with round pipe and rectangular duct test sections to develop the interfacial friction factor, the criterion of initiation of waterhammer, and the correlation of water depth.
First, an adiabatic semi-empirical correlation for interfacial friction factor has been developed based on the surface roughness concept. A comparison of the measured data including others with the predictions of the present correlation shows that the agreement is within ±30%error and that the present correlation covers a broader range of water flow rate than the previous correlations.
Second, a theory which can calculate the wave height and the criterion of onset of slug flow in a stratified wavy flow regime has been developed based on the total energy concept. This theoretical criterion agrees better with the measured data than the other criteria available in the literature, but predicts about 92~107%. An empirical formulus for the criterion has been also developed and compared with others.
Third, correlations which can predict the slope of liquid surface and the water depth at outlets of pipe and duct respectively, have been developed based on experimental data in countercurrent stratified tests. The correlations predict the measured data within the ± 15%error except the lowest water flow rate case.
Finally, an algebraic method which can simply predict a waterhammer accident at nuclear power plant has been developed using the correlations developed in the present work. The correlations for impact force has been proposed based on the physical phenomena observed in the present experiment and other analyses. The developed model explained well the waterhammer accident occurred at San Onofre Nuclear Power Station quantitatively with an improved prediction method for the lower and upper boundaries of the waterhammer accident.
원자력발전소의 이차계통에서 일어나는 수격작용중 긴 수평관에서 수증기의 응축에 의해 일어나는 수격작용이 가장 극심하게 계통을 손상시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 수격작용은 수증기와 물로 이루어지는 층류의 계면에서 발생하는 매우 복잡한 현상들로 인하여 정확히 해석하기는 매우 어렵다. 이를 해석하기 위한 연구들이 이루어졌으나 이들에 사용된 모델들로는 현재 유일한 해석대상인 San Onofre 원자력발전소의 사고에서 나타난 수격작용이 발생하는 상한경계와 하한경계를 잘 설명하지 못하고 있다.
본 연구에서는 수격작용을 해석하는 데 사용되고 있는 기존 이론 모델을 개선하여 긴 수평관에서 수증기와 물의 역류시 수증기의 응축에 의해 일어나는 수격작용의 상한경계와 하한경계를 계산할 수 있는 모델들을 개발하였다. 이 모델들에서 사용되고 있는 주요 계수들인 계면마찰계수, 계면열전달계수 및 수격작용이 일어나는 경계조건 등을 나타내는 상관식들의 선택에 따라 계산결과가 많이 상이함을 보여 주었고 또한 이 기존 상관식들을 사용하기에는 여러 제한점들이 있었다. 계면마찰계수와 수격작용이 일어나는 경계조건을 기술하는 관계식을 개발하기 위하여 단열 역층류 실험장치를 만들어 둥근관 및 사각관 실험부로 실험들을 수행하였으며 이론 모델의 주요 인자인 수평관 역층류에서의 물의 수위를 측정하였다. 이러한 실험결과들을 이용, 주요 계수들에 관한 이론식들과 실험식들을 개발하여 수격작용 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 계면이 물결파에 의해 거칠어진다는 개념을 이용하여 계면마찰계수에 대한 준실험식을 개발하였다. 이 실험식을 실험치와 비교하면 오차범위는 ±30%이고, 다른 실험식들보다 적용할 수 있는 물유량 범위가 넓었다. 표면파의 총에너지 보존 개념으로 층류에서 발생하는 표면파의 높이를 계산하여 층류유동에서 스러그 유동으로 천이하는 경계조건을 구하였다. 구하여진 경계조건은 다른 상관식들보다 실험과 잘 일치하고 있으며 실험치에 비하여는 92~107%정도의 범위내에서 이 경계조건을 예측하고 있다. 본 연구에서 개발한 물과 공기로 이루어지는 역층류에서 물의 깊이를 계산할 수 있는 실험식들은 실험치들과 비교하여 실험중 물의 유량이 가장 낮은 경우를 제외하면 ±15%오차 범위내로 예측하였다. 본연구에서는 개발한 실험식들을 이용하여 수격작용시의 유동조건을 간단히 계산할 수 있는 대수식을 개발하였으며, 또한 기존 연구들의 정성적인 결과들을 이용하여 수격작용시 충격력을 계산할 수 있는 모델을 제안하였다. 이 대수식과 충격력을 기술하는 모델은 기존 모델에 비하여 San Onofre 발전소에서 발생한 수격작용 사고시 나타난 상하 발생경계 및 사고현상을 잘 설명하고 있으며, 이에 사용되는 상관식들의 선택이 매우 중요함을 보이고 있다.
