The critical heat flux (CHF) phenomenon in the two-phase convective flows has been an important issue in the fields of design and safety analysis of light water reactor (LWR) as well as sodium cooled liquid metal fast breeder reactor (LMFBR). Especially in the LWR application many physical aspects of the CHF phenomenon are understood and reliable correlations and mechanistic models to predict the CHF condition have been proposed. However, there are few correlations and models which are applicable to liquid metals. Compared with water, liquid metals show a divergent picture for boiling pattern. Therefore, the CHF conditions obtained from investigations with water cannot be applied to liquid metals. In this work a mechanistic model to predict the CHF of water and a correlation for liquid metals are developed. First, a mechanistic model to predict the CHF in flow boiling at low quality was developed based on the liquid sublayer dryout mechanism. In this approach the CHF is assumed to occur when a vapor blanket isolates the liquid sublayer from bulk liquid and then the liquid entering the sublayer falls short of balancing the rate of sublayer dryout by vaporization. Therefore, the vapor blanket velocity is the key parameter. In this work the vapor blanket velocity is theoretically determined based on mass, energy, and momentum balance and finally the mechanistic model to predict the CHF in flow boiling at low quality is developed. The accuracy of the present model is evaluated by comparing model predictions with the experimental data and tabular data of look-up tables. The predictions of the present model agree well with extensive CHF data. In the latter part a correlation to predict the CHF for liquid metals is developed based on the flow excursion mechanism. By using Baroczy two-phase frictional pressure drop correlation and Ledinegg instability criterion, the relationship between the CHF of liquid metals and the principal parameters is derived and finally the correlation to predict CHF is developed. Data for simple geometries reported in the literatures are used for the evaluation of the present correlation accuracy. And, also, typical liquid metal CHF correlations are used here for reference purposes. From the assessment of prediction accuracy, developed correlation predicts the extensive experimental data more precisely than the existing correlations.
이상류 유동에서 임계열유속에 대한 현상은 경수로 뿐만 아니라 고속증식로 에서의 설계 및 안전성 평가분 에서 중요한 쟁점이 되어 왔다. 특히 경수로 노심에의 적용면에서 볼때 임계열유속에 대한 많은 물리적 특성과 현상이 밝혀졌으며 사용가능한 여러 상관식 및 모델이 제시되어왔다. 하지만 고속증식로의 냉각재인 액체금속에 적용할 수 있는 상관식 및 모델은 그리 흔하지 않다. 알칼리계 액체금속은 물과 비교할 때 판이한 비등현상을 보여준다. 이러한 이유 때문에 물로부터 얻어진 임계열유속 상관식을 직접 액체금속에 적용하기는 어렵다. 본연구에서는 물에서의 임계열유속을 예측할 수 있는 새로운 모델과 액체금속에 적용할 수 있는 상관식을 개발하였다. 전반부에서는 주로 DNB (Departure from Nucleate Boiling)와 관련하여 일정하게 가열되는 튜브에서의 임계열유속과 그의 모델링을 기술하였다. Liquid sublayer dryout 현상에 근거하여 낮은 quality시 임계열유속을 예측할 수 있는 새로운 모델을 제시하였다. 이러한 liquid sublayer dryout 현상에서는 vapor blanket이 가열관 중앙부 유체와 벽면부근의 liquid sublayer를 차단함으로써 가열관 중앙부 유체로부터 liquid sublayer로 공급되는 유량보다 liquid sublayer 내에서 증발되는 양이 더 커짐으로써 마침내 liquid sublayer가 dryout 될 때의 열유속을 임계열유속으로 가정한다. 따라서 vapor blanket의 속도가 임계열유속 예측시 주요 변수로 작용된다. 본모델에서는 질량, 에너지, 모멘텀 방정식으로부터 vapor blanket의 속도를 이론적으로 구하였으며, 이를 근간으로 낮은 quality시 임계열유속을 예측할 수 있는 새로운 모델을 개발하였다. 본 모델의 예측 정확도 평가를 기존의 실험자료 및 look-up table과 비교함으로써 수행하였고 결과는 광범위한 실험자료와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 본 연구의 후반부에서는 flow excursion 현상에 근거하여 알칼리계 액체금속에서의 임계열유속과 그를 예측할 수 있는 상관식 개발에 관하여 기술하였다. Baroczy의 이상류 압력강하 상관식 및 Ledinegg의 불안정성 원리를 사용하여 액체금속에서의 임계열유속과 그와 관련된 주요변수간의 상관관계를 이론적으로 구하였으며 이를 근간으로 임계열유속을 예측할 수 있는 상관식을 완성하였다. 개발된 상관식의 예측정확도를 평가하기위하여 문헌에 나와있는 실험자료 및 현재 일반적으로 일반적으로 사용되고 있는 대표적인 임계열유속 상관식을 사용하였으며 결과는 현재 사용되고 있는 상관식 보다 좀더 정확히 임계열유속값을 예측하는 것으로 나타났다.
