본문 바로가기
HOME> 논문 > 논문 검색상세

학위논문 상세정보

핵비등 기포거동 및 국소 열전달 특성 분석을 위한 실험 및 직접수치모사 연구 원문보기

  • 초록

    2상 유동 상변화 열전달 현상은 경수형 원자력 발전소 내에서 광범위하게 일어나는 현상으로 발전소 성능 및 안전성과 매우 밀접한 연관을 가진다. 비등 2상 유동 현상 자체가 매우 복잡한 물리 현상일 뿐더러 작은 공간적 스케일을 가지는 접촉점 근처에서의 미시적 유동 및 열전달 현상을 실험적으로 완벽하게 측정하고 분석하는 것은 근본적으로 매우 난해한 작업이다. 따라서 최근에는 이러한 미시적 관점에서의 2상 유동 상변화 열전달 현상을 이해하고 모델링하기 위하여, 계면추적기법을 활용하여 2상 유동 열전달 현상을 직접수치모사를 이용하여 해석하려는 시도들이 활발히 진행되고 있다. 이러한 수치모사 기법 연구는 실험 측정 결과들과의 다양한 상호 비교를 통하여 정확성 및 타당성을 검증하는 절차가 반드시 필요하며, 특히 직접수치모사의 장점이 미시적 관점에서의 액체-기체 경계면 형상 및 국소 열전달 현상의 사실적 모사임을 감안할 때 결과의 검증에 있어서 유사한 스케일의 공간 및 시간 분해능을 가지는 실험 결과를 활용하여야 한다. 본 연구는 원자력 안전과 밀접한 연관을 가지는 비등 열전달 현상에 대해 높은 공간 및 시간 분해능을 가지는 2상 유동 열전달 실험 및 수치해석 기법들을 적용하여 분석하고 얻어지는 결과들을 상호 비교, 분석하여 비등 열전달 현상의 메커니즘을 이해하고 수치해석적 모델링의 정확도 및 신뢰성을 향상시키는 것을 목표로 한다. 실험과 수치해석 결과의 상호 비교를 위한 대표 비등 현상은 직접 수치모사를 통하여 모사 가능한 범위 내에서 열유속 변화에 따른 비등 열전달 특성의 변화를 주관하는 핵심 현상(단일기포 핵비등 열전달, 기포간의 상호작용, 국소 과열영역의 생성과 소멸, 임계열유속 메커니즘)들을 대상으로 한다. 고정밀 비등 열전달 실험 기술 개발 및 핵비등 열전달 실험 수치해석 결과의 상호 비교, 분석을 통한 각 핵심 현상의 특성은 다음과 같이 요약할 수 있다. 1. 고정밀 비등 열전달 실험 및 표면 열유속 계산 기술 개발 본 연구에서는 비등표면 온도분포 측정을 위한 적외선 가시화 기법과 비등표면 액상-기상분포 측정을 위한 적외선 가시화 기법의 시·공간적 동기화 기법을 적용함과 동시에 다양한 조건에서 핵비등 열전달 실험이 가능한 실험장치를 구축 하였으며, 과도열전달 해석을 이용한 비등표면 온도분포 데이터의 열유속 분포로의 변환 기술을 개발하였다. 개발한 실험장치 및 결과분석 기술을 이용하여 획득한 실험 데이터의 공간 및 시간 분해능은 각각 수십 μm와 1 ms 이하의 매우 높은 해상도를 가져 직접수치모사 결과와의 매우 상세한 비교·분석을 위해 활용 가능함을 확인하였다. 2. 단일 기포 핵비등 열전달 연구 (저열유속 구간) 적외선-전반사 동기화 기법과 기 개발한 열유속 계산 기술을 활용하여 단일기포 핵비등 열전달 표면의 2상 분포, 온도분포 및 열유속 분포를 획득하였고, 계면추적기법을 결합한 직접수치모사 기법을 이용해 단일기포 핵비등 열전달 현상을 모의하였다. 획득한 실험 및 직접수치모사 데이터의 상호비교 및 분석하여 이를 바탕으로 단일 기포 핵비등 열전달 현상의 특징과 물리적 메커니즘의 이해를 도모하였다. 실험과 수치모사 결과를 상호비교하기 위하여 기포의 크기, 건조영역의 크기, 기포의 생성, 성장 및 이탈과정동안의 표면열유속 및 온도변화를 정량적으로 측정하였으며, 미세액막층 영향을 제외하고 대체적으로 기포 거동 및 열전달 특성에 대한 경향성이 일치하였다. 본 연구에서 수행한 직접수치모사에는 미세액막층 모사를 위한 미세격자 구성에 따른 극도의 오랜 계산시간으로 인해 미세액막층의 영향을 포함하지 않았으며, 그로 인해 건조영역의 거동, 평균표면온도 변화 추이에서 실험과 수치해석 결과가 조금 다른 경향성을 보였다. 그러나 전체 핵비등 열전달에서 미세액막층이 차지하는 비율은 최대 10% 이하로, 전체적인 열전달 양의 환산 측면에서 미세액막층의 영향을 포함하지 않은 핵비등 열전달 현상 모사가 예측에 대한 무리가 없다고 판단된다. 3. 핵비등 기포간의 상호작용 연구 (중열유속 구간) 적외선-전반사 동기화 기법과 기 개발한 열유속 계산 기술을 활용하여 얻은 핵비등 기포간의 상호작용에 대한 결과와 직접수치모사 기법을 이용한 모사 결과를 상호비교 및 분석하여 핵비등 기포간의 분리 및 합착 특징 및 메커니즘 분석하였다. 중열유속 구간은 열유속 증가에 의해 기포생성지점이 증가하여 기포 간의 상호작용이 시작되는 구간으로, 기포 간의 병합과 건조영역 간의 합체가 관찰되고, 기포가 병합될 때 기포 사이에 액체 층이 갇히며 이러한 기포 사이 갇힌 액체 층은 건조영역의 합체를 막거나 지연시키는 역할을 하였다. 또한 중열유속 구간에서의 비등 열전달 현상에 대한 실험과 수치해석 결과는 기포의 거동과 열전달 측면에서 정확히 동일한 경향을 보였으며, 이를 통해 수치해석을 통한 다양한 비등 현상의 모의 가능성을 확인할 수 있었다. 4. 국소 과열영역의 생성과 소멸 과정 연구 (고열유속 구간) 적외선-전반사 동기화 기법과 기 개발한 열유속 계산 기술을 활용하여 얻은 고열유속 구간에서의 핵비등 열전달 현상에 대한 결과와 직접수치모사 기법을 이용한 모사 결과를 상호비교 및 분석하여 국소과열영역 생성 및 소멸 관련 특징과 메커니즘을 규명하였다. 고열유속 조건에서는 기포의 상호작용 및 기포생성 개수 증가로 인한 유체 유입의 차단으로 국소과열 영역이 생성되지만, 주변기포들이 모두 합체되어 순간적으로 유체 유입 경로가 확보되기 때문에 건조영역의 재젖음이 발생해 국소과열영역이 소멸되고, 결국 영구적으로 표면에 남아있는 건조영역은 존재하지 않는 것을 확인하였다. 또한 국소과열영역 생성 및 소멸에 따른 표면온도변화 추이와 열유속 분포는 실험과 수치모사 결과의 경향성이 잘 일치하였다. 5. 임계열유속 메커니즘 연구 (임계열유속 지점) 임계열유속 구간에서의 임계열유속 조건에서의 비등 현상의 경우 초기에는 과열영역이 생성된다는 점에서 고열유속 조건에서의 비등 현상과 동일한 특징을 보이지만 임계열유속 조건에서는 형성된 과열영역이 소멸하지 않고 수축과 팽창을 반복하며 영구적으로 표면에 남아 열전달 한계에 도달해 국소 과열영역이 급속 팽창하여 막비등 구간으로의 천이가 발생한다. 임계열유속 현상의 수치 해석적 모의결과와 실험결과를 통해 국소과열영역 생성 및 국소과열영역 주변에 생성되는 기포들의 지속적인 합체에 의한 건조영역의 비가역적 성장에 의해 임계열유속이 시발되어짐을 확인하였다.


    Nucleate boiling is widely used in industries due to very high heat transfer characteristics. Its physical mechanisms have been extensively explored over the last few decades. Recently, numerous boiling simulations coupling with various interface tracking methods have been performed. However, a direct numerical simulation of nucleate boiling heat transfer is still a grand challenge. Moreover, there has been a lack of high-quality experimental data of boiling phenomena to validate the numerical results on the basis of local and instantaneous parameters, such as a dynamics of triple contact line, the microlayer and the distributions of surface temperature and heat flux underneath a bubble. In this study, a systematic comparison between the state-of-the-art experimental measurements and numerical simulations is tried with focus on liquid-vapor phase and heat transfer distributions on the heater surface during nucleate boiling. This study explores the representative subcooled nucleate boiling phenomena, including the single bubble nucleate boiling, multi-bubble interaction, formation and dynamics of hot spots in high heat flux, and triggering of critical heat flux In the experiment, by applying a total reflection technique which consisted of a coherent laser and an infrared thermometry to a boiling surface with high spatial and temporal resolution, the liquid-vapor phase and the heat transfer distributions underneath a growing bubble were simultaneously measured. The spatial and temporal resolutions were 32 mm and 0.083 ms for the phase detection and 84 mm and 0.83 ms for the heat transfer measurement, respectively. Nucleate boiling experiments of de-ionized water are performed on an infrared- and visible-transparent CaF2 substrate with an IR-opaque and visible-transparent thin ITO (indium tin oxide) film. In the simulation, nucleate boiling process was simulated by using the MARS (Multi-interface Advection and Reconstruction Solver) including a non-empirical boiling and condensationmodel. The comparative analysis between the highly spatiotemporal decomposition data obtained by the high-quality measurement and simulation would contribute to the quantitative understanding on and the precise modeling of nucleate boiling heat transfer mechanisms.


 활용도 분석

  • 상세보기

    amChart 영역
  • 원문보기

    amChart 영역