입구에서 공기 속도 크기가 수직 U-자형 곡관 내부의 상향 및 하향 이상 유동 형태에 미치는 영향에 관한 수치적 연구 (Numerical Study for the Effect of Inlet Air Velocity Magnitudes on the Upward and Downward Two-Phase Flow Pattern inside the Vertical U-shape Curved Pipe)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 31권 / 9호 / 433 ~ 444페이지
· 저자명 : 이공희

초록

본 연구에서는 ANSYS CFX R 17.2에 탑재된 Eulerian 다상 유동 모델의 적용성을 평가하기 위해서, 동 모델을 사용해서 수직 U-자형 곡관에서 상향 및 하향 이상(기체-액체) 유동을 예측하였고 측정 결과와 비교하였다. 추가적으로, 관 입구에서 공기의 겉보기 속도 크기가 수직 U-자형 곡관 내부의 이상 유동 형태에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 상향 이상 유동의 경우 예측된 기체 체적 분율이 5%를 초과하는 영역이 곡관부 전체에 걸쳐 내부벽 부근에 위치한 반면, 하향 이상 유동에서는 유동이 곡관부로 진입하면서 기체 체적 분율이 상대적으로 큰 영역이 관 외부벽에서 내부벽 부근으로 점차 이동한 후 곡관부 90° 위치에서 2개 부분으로 분기되었다. 또한, = 0.0108 m/s 및 0.0135 m/s인 경우, 곡관부 출구인 D5 단면의 내부벽에서 재순환 유동이 발생하였다. 상기와 같이 수직 U-자형 곡관 내부에서 상향 및 하향(downward) 이상 유동이 서로 다른 형태를 나타내는 이유는 관성력과 부력의 유동 진행 방향 성분이 곡관부에서 작용하는 방향이 다르기 때문인 것으로 판단된다.
(2) ANSYS CFX R 17.2로 예측된 수직 U-자형 곡관 내부에서 기체 체적 분율 분포는 측정값과 정성적으로 유사한 경향성을 나타내었다. 다만, 일부 곡관 단면에서 측정값과 차이가 발생한 것과 관련하여 난류 모델 및 Eulerian 다상 유동 모델 옵션 등에 대한 추가적인 민감도 평가가 필요한 것으로 판단된다. 또한, ANSYS CFX R 17.2에 탑재된 Eulerian 다상 유동 모델에는 적용 제한성 및 일정 부분의 예측 불확도가 내재되어 있을 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 User Fortran 등을 통해 기본 모델을 수정하거나 진보된 최신 모델을 추가하는 것이 필요할 수 있다. 상기 사항들에 대한 연구 결과는 현재 진행중인 국내 원자력 안전 분야에 대한 전산유체역학 소프트웨어의 적용성에 관한 규제 지침 수립에 반영될 예정이다.
(3) 본 연구 수행을 통해 얻은 결과는 원자력발전소 가동중시험 관련 계통에서 발생 가능한 기체 축적과 관련된 안전현안들(예; 기체 이송 경로, 기체 축적 위치 및 축적량 등)을 평가하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

영어초록

Gas-liquid two-phase flows through the vertically curved circular pipes can easily be found in various components of nuclear power plant such as pipes, shell-and-tube heat exchangers etc. Generally, the vertically curved circular pipes involve the combined effects of gravitational, centrifugal and buoyant forces, which tend to produce complications such as inhomogeneous phase distribution, flow reversal and secondary flow. These effects can lead to water hammer, subsequent pipe and components failure, and consequently the hydrodynamic behavior of a two-phase mixture flowing through the vertically curved circular pipe is significantly important. In this study, the upward and downward gas-liquid two-phase bubbly flow inside the vertical U-shape curved pipe was predicted using the Eulerian multiphase flow model in ANSYS CFX R17.2. The predicted results were compared to the experimental data in order to examine the applicability of this multiphase flow model. Furthermore, the effect of inlet air velocity magnitudes on the upward and downward two-phase flow pattern inside the vertical U-shape curved pipe was examined.

참고자료

· 없음