The heat and mass transfer on the cryogenic surface during the cooling and filling process under natural convection was experimentally and numerically investigated. The experimental study showed that the cooling process had a strong effect on heat and mass transfer on the cryogenic surface. The frost formed on the cryogenic surface with the cooling and filling process is very stable and had fine structure. But the frost formed on the cryogenic surface without the cooling process was unstable and had sparse structure. The frost under the cooling and filling process grew considerably thicker than that without the cooling process. The maximum heat flux and minimum heat flux under the cooling and filling process was about half of that without the cooling process. This trend was also confirmed by the boil off test performed on the entire test section. Therefore, the heat flux at the cryogenic constant wall surface temperature condition, which prohibit the growth of frost during the cooling process, overestimated the incoming heat flux compared with the heat flux during the cooling and filling process like the rocket pre-launch operation process.
In addition, a modified frost growth model was proposed by reflecting transient wall temperature to predict heat and mass transfer characteristics during the cooling and filling process. And the new correlations for the frost density and combined model for the frost thermal conductivity were suggested. In order to validate the proposed numerical model, experiments were performed under various ambient air temperature and relative humidity conditions: $10\circ C \leq Ta \leq 30\circ C$ and $30% \leq RH \leq 90%$. The maximum and minimum heat flux from the numerical model showed a good agreement with experimental data within 10% and 16% average relative error, respectively. The final frost thickness from the numerical model showed good agreement with experimental data within 13% average relative error except for one case where mass transfer was reduced due to local frost collapse and fog formation near the cryogenic surface. Sensitivity analysis was performed for the parameters of proposed numerical model and the effects of main parameters on the frost thickness and wall heat flux were analyzed. Therefore, the numerical model will be useful for estimating the heat transfer rate in an uninsulated cryogenic system, such as a rocket oxygen tank.
자연대류 조건하에 냉각 및 충전 과정 중 극저온 표면에서의 일어나는 열 및 물질 전달 현상에 대하여 실험 및 수치 해석을 통해 연구를 수행하였다. 초기 냉각 과정이 서리 성장에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 초기 냉각 과정 없이 극저온 일정 벽면 온도에서 일어나는 서리 성장의 특성과 냉각 및 충전 과정이 일어나는 상황에서 서리 성장의 특성을 실험을 통해 비교하였다. 두 실험 결과를 비교한 결과, 냉각 과정은 극저온 표면에서의 열 및 물질 전달에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 냉각 및 충전 과정 중에 생성된 서리는 매우 안정적인 고운 구조를 가지고 있으나, 냉각 과정 없이 극저온 일정 벽면 온도 조건에서 생성된 서리는 불안정하고 거친 구조를 가지고 있으며, 냉각 및 충전 과정 중에 생성된 서리는 냉각 과정 없이 생성된 서리에 비하여 상당히 두껍게 성장함을 확인하였다. 냉각 및 충전 과정 중 측정된 최대 열유속과 최소 열유속은 냉각 과정이 없는 조건에서 측정된 열유속의 절반 정도로 그 크기가 작았다. 이러한 경향은 실험부 전반에 대해 수행한 boil off 시험에서도 확인되었다. 따라서 냉각 과정 중 서리의 성장을 제한한 극저온 일정 벽면 온도 조건에서의 열유속은 실제 로켓 운용 과정과 같이 냉각 과정 중 서리가 성장하는 경우에 비하여 유입되는 열유속을 과다하게 예측한다.
또한 충전 및 냉각 과정 중 열 및 물질 전달 특성을 예측할 수 있도록 기존의 서리 성장 수치 모델을 수정하여 천이 상태의 벽면 온도를 반영할 수 있도록 하였고, 서리 밀도와 서리 열전도도의 상관식을 제시하였다. 이러한 수치 모델을 검증하기 위하여 대기 온도가 $10\circ C ~ 30\circ C$ 이고, 상대습도가 30 % ~ 90 %인 조건에서 시험을 수행하였다. 수치 해석 결과 최대 및 최소 열유속은 시험 결과와 각각 10%, 16%의 평균 상대 오차 이내에서 일치함을 확인하였으며 최대 서리 성장 두께는 주변 서리의 국부적인 붕괴로 표면 근처에서 안개가 생성된 경우 하나를 제외하고는 13% 평균 상대 오차 이내에서 시험 결과와 일치함을 확인하였다. 또한 제시된 수치 모델의 인자들에 대하여 민감도 분석을 수행하고, 주요 인자가 변함에 따라 서리 두께와 벽면 열유속이 받는 영향을 분석하였다. 제시된 수치 모델은 로켓 산화제 탱크와 같이 단열이 되지 않은 극저온 시스템에 유입되는 열량을 예측할 때 유용하게 사용될 수 있다.
