이상 횡 유동은 응축기, 증발기와 원자로 증기발생기와 같은 쉘과 튜브의 열 교환기에서 볼 수 있다. 이상 유동장에 놓인 구조물에 작용하는 수동력을 이해하기 위해서는 이상유동의 특성을 이해하는 것이 중요하다. 이상 유동의 유동특성과 유동변수를 소개하고 관군에서의 압력손실과 실린더에 작용하는 압력분포에 의한 수동력을 평가하기 위한 실험을 수행하였다, 실험부 입구에서 이상유동은 혼합되었으며 실험은 횡 방향 이상 유동장에 놓인 정규 삼각형 배열을 갖는 관군을 사용하여 수행하였다. 관군에서의 흐름방향 압력손실을 측정하여 이상유동의 마찰승수를 계산하고 이론적 결과와 비교하였다. 또한 특정 실린더에 작용하는 원주 방향 압력 분포의 측정결과와 이상유동의 기초이론에 근거하여 압력손실계수의 분포 및 항력계수에 미치는 체적건도와 단위면적당 질량유량의 효과를 평가하였다. 튜브 표면에 작용하는 측정된 압력을 수치해석방법으로 적분하여 항력계수를 계산하였다. 작은 질량 유량의 경우에 측정된 마찰 승수는 기존의 이론 결과와 잘 일치하며 압력분포에 의한 항력계수에 작용하는 기공률의 영향은 기존의 실험결과와 정성적으로 유사한 경향을 보이고 있다.
이상 횡 유동은 응축기, 증발기와 원자로 증기발생기와 같은 쉘과 튜브의 열 교환기에서 볼 수 있다. 이상 유동장에 놓인 구조물에 작용하는 수동력을 이해하기 위해서는 이상유동의 특성을 이해하는 것이 중요하다. 이상 유동의 유동특성과 유동변수를 소개하고 관군에서의 압력손실과 실린더에 작용하는 압력분포에 의한 수동력을 평가하기 위한 실험을 수행하였다, 실험부 입구에서 이상유동은 혼합되었으며 실험은 횡 방향 이상 유동장에 놓인 정규 삼각형 배열을 갖는 관군을 사용하여 수행하였다. 관군에서의 흐름방향 압력손실을 측정하여 이상유동의 마찰승수를 계산하고 이론적 결과와 비교하였다. 또한 특정 실린더에 작용하는 원주 방향 압력 분포의 측정결과와 이상유동의 기초이론에 근거하여 압력손실계수의 분포 및 항력계수에 미치는 체적건도와 단위면적당 질량유량의 효과를 평가하였다. 튜브 표면에 작용하는 측정된 압력을 수치해석방법으로 적분하여 항력계수를 계산하였다. 작은 질량 유량의 경우에 측정된 마찰 승수는 기존의 이론 결과와 잘 일치하며 압력분포에 의한 항력계수에 작용하는 기공률의 영향은 기존의 실험결과와 정성적으로 유사한 경향을 보이고 있다.
Two-phase vapor-liquid flows exist in many shell and tube heat exchangers such as condensers, evaporators, and nuclear steam generators. To understand the fluid dynamic forces acting on a structure subjected to a two-phase flow, it is essential to obtain detailed information about the characteristic...
Two-phase vapor-liquid flows exist in many shell and tube heat exchangers such as condensers, evaporators, and nuclear steam generators. To understand the fluid dynamic forces acting on a structure subjected to a two-phase flow, it is essential to obtain detailed information about the characteristics of a two-phase flow. The characteristics of a two-phase flow and the flow parameters were introduced, and then, an experiment was performed to evaluate the pressure loss in the tube bundles and the fluid-dynamic force acting on the cylinder owing to the pressure distribution. A two-phase flow was pre-mixed at the entrance of the test section, and the experiments were undertaken using a normal triangular array of cylinders subjected to a two-phase cross-flow. The pressure loss along the flow direction in the tube bundles was measured to calculate the two-phase friction multiplier, and the multiplier was compared with the analytical value. Furthermore, the circular distributions of the pressure on the cylinders were measured. Based on the distribution and the fundamental theory of two-phase flow, the effects of the void fraction and mass flux per unit area on the pressure coefficient and the drag coefficient were evaluated. The drag coefficient was calculated by integrating the measured pressure on the tube by a numerical method. It was found that for low mass fluxes, the measured two-phase friction multipliers agree well with the analytical results, and good agreement for the effect of the void fraction on the drag coefficients, as calculated by the measured pressure distributions, is shown qualitatively, as compared to the existing experimental results.
Two-phase vapor-liquid flows exist in many shell and tube heat exchangers such as condensers, evaporators, and nuclear steam generators. To understand the fluid dynamic forces acting on a structure subjected to a two-phase flow, it is essential to obtain detailed information about the characteristics of a two-phase flow. The characteristics of a two-phase flow and the flow parameters were introduced, and then, an experiment was performed to evaluate the pressure loss in the tube bundles and the fluid-dynamic force acting on the cylinder owing to the pressure distribution. A two-phase flow was pre-mixed at the entrance of the test section, and the experiments were undertaken using a normal triangular array of cylinders subjected to a two-phase cross-flow. The pressure loss along the flow direction in the tube bundles was measured to calculate the two-phase friction multiplier, and the multiplier was compared with the analytical value. Furthermore, the circular distributions of the pressure on the cylinders were measured. Based on the distribution and the fundamental theory of two-phase flow, the effects of the void fraction and mass flux per unit area on the pressure coefficient and the drag coefficient were evaluated. The drag coefficient was calculated by integrating the measured pressure on the tube by a numerical method. It was found that for low mass fluxes, the measured two-phase friction multipliers agree well with the analytical results, and good agreement for the effect of the void fraction on the drag coefficients, as calculated by the measured pressure distributions, is shown qualitatively, as compared to the existing experimental results.
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문제 정의
정규 삼각형 배열의 주위에 흐르는 이상유동의 압력손실과 관 마찰 승수를 규명하기 위하여 실험이 수행되었다. 실험장치는 Fig.
가설 설정
이상유동에 놓인 유연성성 실린더에 작용하는 동적 특성을 규명하기 위하여 유동해석이 요구된다. 본 해석에서 이상유동에 대한 균질 모델이 검토되었으며 이 때에 기체의 속도와 액체의 속도는 같다고 가정된다. 균질유동의 체적 건도, β , 는 기체와 액체의 체적 유량비로 계산된다.
제안 방법
실린더의 압력분포는 두 개의 단위면적당 피치 질량 유량( Gp = 2371, 1421 & 717 [kg /m2 ⋅s)] 에서 관군의 7~9 열에서 측정하였다. 관군 사이의 압력차와 이상유동의 기공률에 따르는 운동에너지를 고려하여 이상유동의 마찰압력승수를 검토하였다. 기공률은 비균질 유동에 가정하여 Lockhard &Martinelli(17)의 모델을 사용하여 구하였으며 이론적인 이상유동의 마찰승수는 Levy(27)의 모델을 사용하여 계산하였다.
관군 사이의 이상유동 마찰 승수와 실린더 주위의 압력손실 계수의 분포를 계산하기 위하여 관군 사이의 압력차와 실린더 원주방향의 압력차를 각각 측정하였다. 이상유동의 압력은 섭동 성분을 포함하여 압력차는 30 초간 측정한 평균값으로 계산하였다.
비교적 안정된 이상유동에서 압력을 측정하기 위하여 회전실린더는 7~9 열에 배열하였다. 관군의 상류와 하류에서의 압력차를 측정하기 위하여 2 개의 별도의 압력공을 실험부 덕트의 표면에 설치하였다. 이 압력차를 활용하여 관군에서 이상유동 마찰승수를 계산하였다.
따라서 이상유동의 감쇠비를 예측하는데 유용하게 사용할 수 있다. 그러나 이 모델에는 여러 가지 실험계수를 사용하였으며 기존의 여러 가지 기공률 모델과 이상유동마찰승수 모델을 사용하여 계산하고 실험적으로 제시된 감쇠비에 근사한 결과를 얻는 적절한 모델을 선정하여 결과를 제시하였다. 따라서 선정된 모델에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 관군에서의 이상유동 마찰승수와 기공률에 대한 보다 많은 정보가 요구되고 있다.
2 에 보인 것처럼 실험부, 수조관, 탱크액체펌프, 기체 공급관과 혼합기 등으로 구성되었다. 물과 공기의 유량은 각각 오리피스 유량계와 공기 부양구를 사용한 공기 유량계를 사용하여 측정하였다. 실험부 상류에 설치된 혼합기를 사용하여 공기와 물을 잘 섞이도록 하였다.
실험부에는 압력분포를 측정할 수 있는 3 개의 회전 실린더와 25 개의 고정 실린더로 구성되었으며 10 렬로 배열되었다. 벽면 효과를 최소화하기 위하여 한쪽은 벽면에 반쪽 실린더를 부착하였으며 다른 쪽은 실린더의 길이를 직경에 비하여 비교적 길게 설계하였다. 회전 실린더는 원주 방향의 압력분포를 측정하기 위하여 회전시킬 수 있고 각각 한 개의 압력공이 뚫어져 있으며 압력공은 차압계에 연결되어 있다.
관군 사이의 기공률을 측정하기 위한 여러 가지 방법이 현재 여러 연구자에 의하여 수행되고는 있으나 상당한 어려움이 따르고 있다. 본 실험에서는 관군 사이의 기공률을 측정하지 않고 이론적으로 이상유동의 관군의 기공률을 계산하였다. 즉 Lockhard &Martinelli(17)의 모델을 사용하여 기공률을 계산하였다.
본 실험은 정규 삼각형 배열( p / d =1.41, d = 32mm)에서 3 개의 단위 면적당 피치 질량 유량 ( Gp = 2371, 1421 & 717 [kg /(m2 ⋅s)] )에서 수행되었다.
이상 유동장에 놓인 관군의 튜브에 작용하는 수동력을 이해하기 위해서는 튜브 표면에 작용하는 압력의 분포에 대한 정보를 얻는 것이 속도 분포의 정보를 얻는 것보다 더 우선적이다. 본 연구에서 이상 유동장에 놓인 정규 삼각형 배열의 관군에서 유동방향의 압력손실에 의한 마찰승수와 실린더의 표면에 작용하는 압력분포를 실험적으로 측정하여 평가하였다, 직경에 대한 피치는 p/d =1.41 이며 실린더의 직경은 32 mm. 피치질량유량 및 기공률의 영향이 검토되었다.
본 연구에서는 전술하였듯이 7~9 열에 설치한 회전 실린더(A B &C- Fig. 2(b))에서 측정한 압력을 고려하여 원주방향의 압력 구배를 검토하였다.
실린더의 압력분포는 두 개의 단위면적당 피치 질량 유량( Gp = 2371, 1421 & 717 [kg /m2 ⋅s)] 에서 관군의 7~9 열에서 측정하였다.
관군의 상류와 하류에서의 압력차를 측정하기 위하여 2 개의 별도의 압력공을 실험부 덕트의 표면에 설치하였다. 이 압력차를 활용하여 관군에서 이상유동 마찰승수를 계산하였다.
모델 사이의 유사성이 있으며 Butterworth(20) 는 여러 가지 실험결과를 분석하여 새로운 실험식을 제안하였다. 즉 유동의 동적 특성을 고려하여 각종 유동형태(bubbly flow, bubbly-slug flow, slug flow and annular flow)로 구분하여 적절하고 유용한 실험식을 제시하였다. 유동형태는 유체의 표면장력, 각상의 밀도와 점도 및 실험부의 기하학적 형상에 의하여 영향을 받으며 Maritnelli 변수와 무차원 기체유속에 따라 도시된 Grant 유동형태 지도에 의하여 분류할 수 있다.
충분히 혼합된 공기와 물을 공급할 수 있는 실험장치를 제작하여 이상 유동장에 놓인 정규 삼각형 배열에서 관군 사이의 압력차와 실린더에 작용하는 압력분포를 측정하였다. 정규삼각형 배열의 피치비는 p / d =1.
측정된 원주방향의 압력분포와 이상유동의 운동에너지를 사용하여 압력계수를 정의하고 원주방향의 압력계수 분포를 평가하였다. 측정된 압력분포를 원주방향으로 적분하여 압력에 의한 항력을 구하고 이로부터 항력 계수를 계산하였다.
기공률은 비균질 유동에 가정하여 Lockhard &Martinelli(17)의 모델을 사용하여 구하였으며 이론적인 이상유동의 마찰승수는 Levy(27)의 모델을 사용하여 계산하였다. 측정된 원주방향의 압력분포와 이상유동의 운동에너지를 사용하여 압력계수를 정의하고 원주방향의 압력계수 분포를 평가하였다. 측정된 압력분포를 원주방향으로 적분하여 압력에 의한 항력을 구하고 이로부터 항력 계수를 계산하였다.
대상 데이터
41 이며 실린더의 32mm 이다. 실험부에는 압력분포를 측정할 수 있는 3 개의 회전 실린더와 25 개의 고정 실린더로 구성되었으며 10 렬로 배열되었다. 벽면 효과를 최소화하기 위하여 한쪽은 벽면에 반쪽 실린더를 부착하였으며 다른 쪽은 실린더의 길이를 직경에 비하여 비교적 길게 설계하였다.
실험부 상류에 설치된 혼합기를 사용하여 공기와 물을 잘 섞이도록 하였다. 실험부의 단면은 정사각형으로 가로세로가 90x90 mm 이며 길이는 0.8 m 이다. 직경에 대한 피치비는 1.
정규 삼각형 배열의 주위에 흐르는 이상유동의 압력손실과 관 마찰 승수를 규명하기 위하여 실험이 수행되었다. 실험장치는 Fig. 2 에 보인 것처럼 실험부, 수조관, 탱크액체펌프, 기체 공급관과 혼합기 등으로 구성되었다. 물과 공기의 유량은 각각 오리피스 유량계와 공기 부양구를 사용한 공기 유량계를 사용하여 측정하였다.
데이터처리
이러한 연구의 일환으로 회전 삼각형 배열 관군에 작용하는 마찰승수 및 항력계수를 실험적으로 구한 연구가 Sim & Mureithi(25)에 의하여 수행되었다. 두 개의 실험루프가 설계되어 항력과 압력손실을 측정하여 항력계수와 마찰승수를 계산하여 기존의 어림적 해석모델의 결과와 비교하였다.
관군 사이의 이상유동 마찰 승수와 실린더 주위의 압력손실 계수의 분포를 계산하기 위하여 관군 사이의 압력차와 실린더 원주방향의 압력차를 각각 측정하였다. 이상유동의 압력은 섭동 성분을 포함하여 압력차는 30 초간 측정한 평균값으로 계산하였다. Fig 3 에 보이 듯이 압력공과 차압계사이의 압력 전달관에는 물이 채워져 있으며 이로 인하여 실제 압력차와 차압계에 측정된 압력차는 차이가 있다.
이론/모형
관군에 적용할 수 있는 Feenstra 등(23)에 의하여 제시된 기공률과 비교하면 Lockhard &Martinelli(17) 모델의 결과가 유사하여 본 논문에서는 기공률을 Lockhard &Martinelli 모델을 사용하여 구하였다.
기공률은 비균질 유동에 가정하여 Lockhard &Martinelli(17)의 모델을 사용하여 구하였으며 이론적인 이상유동의 마찰승수는 Levy(27)의 모델을 사용하여 계산하였다.
덕트내에 흐르는 이상유동의 평균 기공률을 예측하기 위한 기존의 모델(Lockhard & Martinelli,(17) Baroczy,(18) Turner & Wallis(19))을 평가하여 유사성과 상관관계가 Butterwort (20)에 의하여 검토되었다.
이러한 연구의 일환으로 회전 삼각형 배열 관군에 작용하는 마찰승수 및 항력계수를 실험적으로 구한 연구가 Sim & Mureithi(25)에 의하여 수행되었다.
이상유동의 동적 특성을 이해하기 위하여 기공률의 변동성을 확률 밀도 함수(probability density function)를 사용하여 분석할 수 있고 각종유동의 동적 특성을 구별할 수 있다(Jones & Zuber,(10) Cheng 등(22)).
즉 Lockhard &Martinelli(17)의 모델을 사용하여 기공률을 계산하였다.
측정된 압력을 원주방향으로 적분하기 위하여 일반적인 수치해석 방법을 사용하였다. 항력은 이상 유동의 운동에너지에 대한 무차원 변수인 항력계 수로 표현할 수 있다.
이때 기공률은 질량 유량에 의하여 영향을 받지 않는다. 편류 융합유동 모델(drift-flux model) 은 각상의 운동보다는상대운동에 초점을 맞춘 이질유동(separated-flow model)에 기초하였다. Zuber & Findlay (13)에 의해 제안되어 편류융합유동 모델에 적용된 이론은 여러가지 유동모델(Ishii 등, (14) Zuber 등, (15) Wallis (16)).
성능/효과
Schrage 등(12)은 급속 개폐 밸브을 사용하여 공기-물의 횡유동에 놓은 일렬배열 관군에 흐르는 이상유동의 기공률을 측정하였다. 실험에 의하면 기공률은 질량유량에 따라 변하며 균질평형모델에 의하여 과대하게 예측됨을 보였다. 균질모델은 기체와 액체의 속도차를 고려하지 않는다.
에 의하여 개발되었다. 이 모델을 개발하기 위하여 기존의 각종 기공률 모델, 이상유동 마찰승수 모델을 검토하였으며 관군에 적용되는 이상유동 감쇠비에 대한 기존의 실험 결과를 활용하였다, 이 모델을 활용하여 충분히 넓은 범위의 질량유량, 건도, 피치비에 적용하여 기존의 실험결과와 비교하였으며 비교적 잘 일치함을 보였다. 따라서 이상유동의 감쇠비를 예측하는데 유용하게 사용할 수 있다.
후속연구
이상유동에 놓인 실린더에 작용하는 압력에 의한 항력의 특성을 규명하기 위한 시도가 이루어졌으나 제작된 실험장치에서는 높은 체적건도의 실험이 불가능하여 수행되지 못한 아쉬움이 있었다. 이상 유동장에 놓인 관군의 유동유발진동의 기구를 유동학적 측면에서 이해하기 위한 좀 더 많은 실험 결과가 필요하며 본 연구와 관련하여 다른 배열과 피치비에 대한 실험이 요구되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이상 횡 유동은 어디서 볼 수 있는가?
이상 횡 유동은 응축기, 증발기와 원자로 증기발생기와 같은 쉘과 튜브의 열 교환기에서 볼 수 있다. 이상 유동장에 놓인 구조물에 작용하는 수동력을 이해하기 위해서는 이상유동의 특성을 이해하는 것이 중요하다.
유동유발진동의 가진력은 무엇의 원인이 되는가?
지난 수십 년 동안 원자력 산업의 유동유발진동과 관련하여 이상유동에 관한 연구가 수행되었다. 유동유발진동의 가진력은 구조물에 과도한 진동을 발생시키며 오랜 시간을 경과하며 마모와 피로의 원인이 되었다. 열 교환기 튜브손상의 줄이기 위하여 유동유발진동의 가진력과 관련된 설계지침이 필요하게 되었다.
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