Interfacial waves resulting from turbulent gas shear, which are an intrinsic characteristic of stratified two-phase flow, greatly influence the interfacial transport phenomena and stability of the system especially in safety related problems of the water cooled reactor. The objective of the present experimental study is to provide the fundamental solitary wave transition characteristics. To investigate the solitary wave transition characteristics for the horizontal countercurrent stratified air-water flows, a series of systematic experimental studies has been performed.
The experiments are carried out in a horizontal channel with dimensions 4 m in length and 102 mm in inner diameter. The water and air superficial velocities vary from 0.0004 to 0.0204 and from 0 to about 6 m/s, respectively. The instantaneous water thickness is measured by parallel-wire conductance probe, and the wave field is recorded by high speed video camera. Also, to evaluate the wave effects on interfacial friction factors, the pressure drop is measured.
Statistical data analysis is accomplished in order to obtain the fundamental wave parameters such as wave amplitude, length, and velocity. Especially, from the statistical analysis, the "Spatial Growth Factor(SGF)" is derived to objectively quantify the wave regime transition boundary.
Four wave regimes, a pebbly, 2-D, solitary, and flooding regimes are observed as air velocity increases. From high speed video imaging, it is found that the solitary waves are originated from two modes; continued growth of 2-D waves and the coalescence of 2-D waves. The observed transition boundaries are verified by the different nature of the statistical parameters, and especially the variation of SGF is physically consistent with the onset of the solitary waves. As the waves grow, the interfacial friction factor increases linearly with $j_g$ in pebbly and 2-D wave regions. However it increases drastically in the solitary wave region. It is noted that the interfacial pressure drop characteristics are mainly governed by the air superficial velocity rather than the water supetficial velocity unlikely in the vertical channel.
수평관에서 공기-물 이상류 역층류 유동시 경계면에서 발생하는 계면파는 열, 물질 및 운동량전달 현상에 크게 영향을 미치며, 특히 경수형 원전의 소형 냉각재상실사고시 이 파형의 거동은 안전해석에 매우 중요한 인자가 된다. 그럼에도 불구하고 수평 역층류 이상유동에서의 계면파발생 및 천이경계특성에 대하여 현재까지 정확하게 규명되지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 수평관 공기-물 역층류 유동시 계면파 천이특성을 규명하기 위한 체계적인 실험적 연구를 수행하였다. 얻어진 실험자료들에 대하여 통계적인 해석을 실시하여 필수적인 계면파 특성변수들을 도출하였고, 특히 "Spatial Growth Factor(SGF)"라는 변수를 정의하여 객관적인 계면파 천이경계 영역을 제시하고자 하였다.
본 연구는 길이 4m, 직경 102 mm의 투명한 시험대로 이루어진 실험장치에서 실시되었다. 실험 유량범위는 물의 경우 0.0004 ∼ 0.0204 m/s(겉보기속도), 공기의 경우 0 ∼ 6 m/s (겉보기속도) 이고, 시험대로 흐르는 물의 양을 고정하고 공기의 양을 점차 증가시키면서 순간적인 계면파의 두께를 측정하였다. 계면파의 두께는 Parallel-Wire Conductance Probe를 이용하여 측정하였고, 계면파들의 상호작용에 의한 천이구조를 파악하기 위하여 High Speed Video Camera를 이용하여 계면파영역을 촬영하였다. 또한 계면파가 계면압력강하특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여 Micromanometer를 이용하여 압력강하를 측정하였다.
관찰에 의하면 본 실험영역의 계면파 천이 형태는 Smooth, Pebbly, 2-D, Solitary 영역으로 발전하였고, 특히 큰 계면파는 불안정한 2차원 계면파들의 성장 및 상호작용으로부터 발현되는 것으로 나타났다. 이러한 관찰내용에 대하여 통계적 해석으로부터 구한 계면파의 파고, 파장, 속도, Power Spectra, Spatial Growth Factor 등을 이용하여 보다 객관적으로 Wave 영역을 판별할 수 있었다. 특히 Spatial Growth Factor의 변화추이는 큰 Wave의 발현과 물리적으로 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다. 이상류 해석의 중요한 변수인 계면마찰계수를 측정한 압력강하와 운동량 보존식으로부터 도출하였는데, 파형이 거칠어지면서 점차로 증가하다가 큰 계면파 영역에서 급격히 증가하였다. 본 연구결과를 수평관 공기-물 동향층상류 결과와 비교하여, 역층류의 경우가 훨씬 낮은 물 및 공기속도에서 Wave 천이현상이 이루어지고 있고, 계면마찰계수 역시 역층류의 경우가 동향층상류보다 매우 크다는 것을 알 수 있었다.
