Experimental Investigation on the Droplet Entrainment in the Air-Water Horizontal Stratified Flow

In the high convective gas flow condition, irregular shaped water waves from which droplet entrainment occurs are generated under horizontally stratified two-phase flow condition. KAERI proposed a new mechanistic droplet entrainment model based on the momentum balance equation consisting of the shear stress, surface tension, and gravity forces. However, this model requires correlation or experimental data of several physical parameters related to the wave characteristics. In the present study, we tried to measure the physical parameters such as wave slope, wave hypotenuse length, wave velocity, wave frequency, and wavelength experimentally. For this, an experiment was conducted in the horizontal rectangular channel of which width, height, and length are, respectively, 40 mm, 50 mm, and 4.2 m. In the present test, the working fluids are chosen as air and water. The PIV technique was applied not only to obtain images for phase interface waves but also to measure the velocity field of the water flow. Additionally, we developed the parallel wire conductance probe for the confirmation of wave height from PIV image. Finally, we measured the physical parameters to be used in the validation of new droplet entrainment model.

물-공기 수평 성층류 유동조건에서 액적이탈 현상에 대한 실험연구

수평 성층류 2상 유동에서 기체의 속도가 액체의 속도보다 상대적으로 큰 고유속 유동조건에서는 불규칙한 파형들이 생성되고 이때 상 경계면에서는 액적이탈이 발생한다. 한국원자력연구원(KAERI)에서는 이러한 상 경계면에서의 액적이탈 현상을 기구학적으로 예측하기 위하여 전단력, 표면장력, 그리고 중력 항으로 구성되는 새로운 액적이탈 모델을 제시하였다. 그러나 이 액적이탈 모델 내부에는 아직 결정되지 않은 모델 계수가 존재한다. 모델 계수를 결정하기 위해서는 두 상 사이의 계면파 특성과 관련되는 물리변수들에 대한 실험데이터의 확보가 필요하다. 주요 물리변수들에는 파의 기울기, 파의 빗변길이, 파의 속도, 파의 주파수, 그리고 파장이 있다. 본 연구에서는 계면파 특성과 관련된 주요 물리변수들을 측정하기 위하여 폭 40 mm, 높이 50 mm, 길이 4.2 m의 수평사각유로에서 가시화실험을 수행하였다. 실험은 1기압의 물-공기 성층류 유동에서 액적이탈이 발생되는 조건에서 수행되었다. 본 실험에서 계면 형상을 2차원적으로 가시화하고 계면파에서 국소적인 물속도 분포를 측정하기 위하여 유로 측면에서 PIV기법을 적용하였다. 추가적으로, 가시화실험을 통해 획득한 계면 이미지로부터 측정된 계면 높이를 검증하기 위하여 평행 와이어 전도도 센서를 개발하였다. 가시화방법과 센서를 통해 측정된 수위를 비교한 결과, 두 가지 방법론에 의해 측정된 수위결과가 잘 일치함을 확인하였다. 최종적으로 개발된 측정기법을 적용하여 액적이탈 조건에서 계면파 특성과 관련된 주요 물리변수들을 측정하였다.