초록 ▼

상변화를 수반하는 다공물질내의 2상흐름(two phase flow)의 효과는 다공물질이 비체적에 비해 비표면적이 매우 클뿐만 아니라 액상의 유체가 증발되어 과열증기가 되는 과정에서 높은 열흡수용량(heat absorbing capacity)을 갖기 때문에 과학기술의 넓은 분야에 걸쳐 많은 연구와 관심의 대상이 되어왔다.
지금까지 기존 연구의 대부분은 다공물질내에서 액상의 유체가 상변화시 액체영역과 증기영역으로 구분하였으며 2개의 상, 즉액체상과 증기상이 공존하는 2상영역(two phase zone)에 대한 연구는 거의

상변화를 수반하는 다공물질내의 2상흐름(two phase flow)의 효과는 다공물질이 비체적에 비해 비표면적이 매우 클뿐만 아니라 액상의 유체가 증발되어 과열증기가 되는 과정에서 높은 열흡수용량(heat absorbing capacity)을 갖기 때문에 과학기술의 넓은 분야에 걸쳐 많은 연구와 관심의 대상이 되어왔다.
지금까지 기존 연구의 대부분은 다공물질내에서 액상의 유체가 상변화시 액체영역과 증기영역으로 구분하였으며 2개의 상, 즉액체상과 증기상이 공존하는 2상영역(two phase zone)에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 그러나 증기와 액체가 혼합된 2상영역의 발생은 각 계의 열전달 특성에 중요한 변수로 작용하므로 이에 대한 연구가 절실히 요청되고 있다.
본 연구는 1차원 정상상태 외부열입력의 조건하에서 상변화를 갖는 다공물질내의 2상영역의 존재가 계의 열전달특성에 미치는 영향을 이론해석 및 실험적 연구를 행하여 조사하였으며, 연구는 크게 증발분출냉각(evaporative-transpiration cooling)과 관련한 유체의 연속적 공급이 있는 개방계(open system)의 경우와 다공질 열파이프(porous heat pipe) 와 관련한 유체의 연속적공급이 없는 밀폐계(closed system)의 경우로 나누어 행하였다.
본 연구에서는 개방계의 경우 모세관모델과 외부열입력 모델에 기초한 매개변수해석을 행하여 2상영역의 발생 및 그 길이변화에 대해 정성적으로 조사하였으며 이와 관련한 현상들을 1차원 외부열 입력의 조건하에서 상부가 가열된 수직계에 대하여 실험적으로 관찰, 조사하였다. 한편 밀폐계의 경우 모세관 압력의 영향이 지배적인 상부가열의 수직계에 대한 실험적 연구를 행하였으며 실험결과 나타난 현상들을 기존의 이론결과와 비교, 고찰하였다. 실험에서 사용한 다공물질은 모래, 유리, 구리등이며 실험유체는 증류수를 사용하였다.

Abstract ▼

Two-phase flow and heat transfer characteristics in porous media with fluid phase change have been investigated analytical1y and experimentally at one-dimensional steady state. The primary objective is to study the occurance of the two-phase zone, in which the liquid and vapor coexists, and its effe

Two-phase flow and heat transfer characteristics in porous media with fluid phase change have been investigated analytical1y and experimentally at one-dimensional steady state. The primary objective is to study the occurance of the two-phase zone, in which the liquid and vapor coexists, and its effect on the flow and heat transfer phenomena in porous media. In this study, both the open system in which the supply of fluid into the porous media is continuous (e.g. evaporative transpiration cooling) and the closed system wherein a certain amount of fluid exists in porous media (e.g. porous heat pipe), have been considered. In the experiment, glass beads, sand, copper particles were used as porous media and distilled water was used as a working fluid.
From the results of this work, we come to the following conclusions.
1. For the open system, the existence of the two-phase evaporation zone is confirmed in the experiment and its length increases with increasing heat flux and with decreasing mass flux. The length of the two-phase zone also increases with increasing particle size and system porosity. Increase in the length of the two-phase zone was found to reduce the cooling effectivencess in the evaporative-transpiration cooling system. In order to get lower surface temperature, porous material with high thermal conductivity is preferred when the particle sizes are same and small particle with low porosity is effective in case of the same material. Due to the relatively small coolant mass flux, the evaporative-transpiration cooling system could be stable by the capillary effect.
2. For the closed system, at the relatively low heat flux the length of the two-phase zone increases with increasing heat flux, which contradicts the result of earlier work. However, its length remains nearly constant when the heat flux increases above a certain value. The length of the two-phase zone is proportional to the product of heat flux by hydrostatic capillary height under the limited value of flux. It also increases with the lower permeability of porous media. The total effective thermal conductivity of the system is enhanced with an increasing two-phase zone length.

목차 Contents

• 제1장 서론...22
• 제1.1절 연구배경...22
• 제1.2절 연구목적 및 내용...27
• 제2장 이론해석...30
• 제2.1절 다공물질내의 2상흐름에 관한 기본방정식...30
• 제2.2절 개방계에서의 2상영역 길이...31
• 제2.3절 밀폐계에서의 2상영역 길이...43
• 제3장 계산결과 및 고찰...47
• 제3.1절 개방계 계산 결과...47
• 제3.2절 밀폐계 계산 결과...68
• 제3.3절 개방계와 밀폐계의 해석결과 비교...71
• 제4장 실험...73
• 제4.1절 개방계 실험...73
• 제4.2절 밀폐계 실험...79
• 제5장 실험결과 및 고찰...86
• 제5.1절 개방계 실험결과...86
• 제5.2절 밀폐계 실험결과...111
• 제5.3절 개방계와 밀폐계의 실험결과 비교...138
• 제6장 결론...139
• 참고문헌...141
• 부록 A...149
• 부록 B...151