In order to study the effect of tube-end geometry on flooding data classification, and experimental & analytical work have been performed. The first is to build flooding database and classify its data by means of entropy-minimax principle. The second step is to develop an analytical model which is applicable to the both of entrance and exit flooding. The last one is to perform experiments for validation.
Flooding data are partitioned according to the type of the entrance and exit geometry by applying entropy-minimax principle. It is found that the effects of exit and entrance geometry on flooding are dominant in the low and high liquid velocity region, respectively. Two flooding correlations having the second order polynomial form are suggested with ±20% uncertainty bands for smooth exit and sharp exit geometries, respectively. It is found that flooding gas velocities predicted by most previous correlations are close to those predicted by the smooth exit correlation.
Flooding is classified into the exit flooding and the entrance flooding depending on the positions at which flooding is initiated. It is postulated that flooding may result from the instabilities of roll waves and the stationary wave generated at the entrance and the exit, respectively. Based on the two-fluid model, the neutral stability condition for the wave instabilities is derived by studying hyperbolicity breaking near a singular point in two-phase flow. It turns out to be a type of the onset condition of Helmholtz instability; the critical relative velocity depends on the void fraction derivative of the interfacial pressure force as well as void fraction and the density ratio. In order to obtain information on the interfacial pressure force, a Korteweg-de Vries solitary wave is studied with the assumption that its wave number is the same as that of the fastest growing sine wave. Predictions by the correlations for the entrance flooding and the exit flooding are in good agreement with experimental data with the squared inlet and the rounded inlet, respectively.
Experiments are performed with change of entrance and exit geometries, tube length and tube diameter. With the sharp entrance geometry, both entrance flooding and exit flooding take place according to water flow rates while only exit flooding does when entrance was smooth. When liquid flow rates are small, exit flooding always takes place and flooding points measured with the same exit geometry are nearely the same regardless of entrance geometry. As liquid flow rates increase, exit flooding and entrance flooding take place according to the entrance geometry and flooding points measured with the same entrance geometry verged regardless of exit geometry. When air is injected into the test tube through a nozzle, even if the exit of tube is sharp, flooding data are nearly the same as those measured with smooth exit geometry. The effect of the tube length on flooding is observed only when both ends of a test tube have round shape. And the flooding gas velocity decreases with an increase in the tube length. The tube length effect on flooding is small in a range of low liquid flow rates. But it becomes more prominant as the liquid flow rate increases.
플러딩은 파이프 상단으로 공급되는 액체가 흘러 내려가지 못하도록 하기 때문에 화학공학 및 원자력 분야에서 중요한 연구과제로 다루어져왔다. 플러딩 연구를 위하여 플러딩 데이타뱅크를 만들고 엔트로피 미니맥스 원리를 이용하여 수직관의 입구와 출구의 유형이 플러딩 현상에 미치는 영향을 연구하였다. 액체 유량이 적을 때에는 출구 모양이 플러딩 현상에 영향을 크게 미치며 액체 유량이 클 때에는 입구 모양이 플러딩 현상에 영향을 크게 미친다는 것을 발견하였다. 출구 모양이 부드러운 경우와 날카로운 경우에 대하여 ±20%의 오차를 가지는 2차 다항식 형태의 플러딩 관계식을 제시하였다. 플러딩 발생 예측을 위한 관계식으로서 기존의 Wallis 관계식과 같은 일차식 형태보다 이차식의 곡선형태 관계식이 더 적절하다는 것을 알았다.
플러딩은 발생 위치에 따라 입구 플러딩과 출구 플러딩 으로 나뉜다. 플러딩은 출구 근처에 존재하는 roll wave 와 입구 근처에 존재하는 유동의 불안정성 때문에 발생하는 것으로 생각된다. 이상 분리류 모델 (Two-fluid model)을 기초로 특이점 (singular point) 근방에서의 hyperbolicity braking 조건으로부터 웨이브의 중립 불안정성 (neutral stability) 조건을 유도하였다. 이 결과는 Helmholtz 불안정성 조건의 한 종류로 여겨진다. 이에 의하면 임계 상대속도는 이상유체 사이의 밀도비, 기공율 그리고 경계면 압력에 대한 기공율의 미분에 의존한다. 경계면 압력에 대한 정보를 얻기 위하여 Korteweg-de Vries 독립파 (solitary wave)를 이용하였다. 즉, 이 독립파의 파장이 가장 빠르게 자라는 파동의 파장과 같다고 가정하였다. 이렇게 하여 구해진 플러딩 관계식은 실험 결과와 잘 맞는다.
수직관 양단의 형태가 플러딩 현상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 수직관의 입구 및 출구의 모양, 길이 그리고 직경을 바꾸면서 실험을 수행하였다. 입구 모양이 부드러울 때에는 항상 출구 플러딩이 발생한 반면 날카로울 때에는 액체 유량에 따라 입구 플러딩과 출구플러딩이 모두 발생하였다. 액체유량이 적으면 같은 출구 모양에서 측정된 플러딩 기체 유량은 입구 모양에 관계없이 거의 같았다. 액체 유량이 증가하면 같은 입구 모양에서 측정된 플러딩 기체 유량은 출구 모양에 관계없이 거의 같았다. 공기가 노즐을 통하여 수직관에 공급된 경우 출구모양이 날카로워도 플러딩 기체 유량은 부드러운 출구에서 측정된 값과 거의 같았다. 플러딩에 대한 수직관 길이의 영향은 양단의 모양이 모두 부드러운 경우에만 관찰되었다. 길이 영향은 액체 유량이 적을때에는 미미했으나 액체 유량이 증가함에 따라 길이 영향도 점점 커졌다. 플러딩 실험장치 양단의 형태와 플러딩의 정의는 측정값에 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
