This paper presents an experimental investigation to visualize cross-sectional two-phase flow structure and identify liquid-gas interface for condensation of steam at a low mass flux in a slightly inclined tube using the axial-viewing technique, which permits to look directly into flow during condensation of steam. In this technique, two-phase flow is viewed along the axis of a pipe by locating a high-speed video camera in front of a viewer that is fitted at the outlet of the pipe. A short section of the pipe is illuminated and is recorded through the viewer, which is kept free of liquid by mildly introducing air. Experiments were conducted in a pipe of 19.05 mm in inner diameter at atmospheric pressure. Cross-sectional two-phase flow structure is obtained at a steam mass flux of $2.62kg/m^2s$ as a function of steam quality in the range from 0.5 to 0.9. The results show that stratified-wavy flow is a unique flow pattern observed in the scope of the present study. Condensate film thickness, stratification angle and void fraction were measured from the obtained flow structure images. Finally, heat transfer coefficient was calculated using the measurement data and discussed in comparison with existing correlations.
B&C(Blowdown and Condensation)장치를 이용하여 APR1400 실규모 I-Sparger의 증기제트 응축에 의한 수조내 열혼합 현상에 대한 실험이 수행되었다. 한정된 가압기 용량으로 인하여 과도상태 실험이 수행되었으며, 실험을 통해 수조내에 배치된 열전대를 사용하여 열혼합 자료를 얻었다. 측정된 열혼합 자료를 바탕으로 지역별 온도 변화의 경향과 수조 수직-단면상의 온도 윤곽도를 작성하였으며 이를 바탕으로 I-Sparger의 열혼합 특성을 파악하였다. 실험결과에서 I-Sparger에 의한 열혼합 특성은 I-Sparger 설계특성이 나타나는 열혼합 경향을 보이고 있음을 확인하였다.
In this study, the experimental investigation of air-cooled condensation in slightly inclined circular tubes with and without fins has been conducted. In order to assess the effects of the essential parameters, variable air velocities and steam mass flow rates were given to the test section. The heat transfer performance of air-cooled condensation were dominantly affected by the air velocity, however, the increase of the steam mass flow rate gave relatively weaker effects to total heat transfer capability. And in the experimental cases with the finned tube, the total heat transfer rate of the finned tube was significantly larger than that of the flat tube. From those results, it can be confirmed that the most important parameter for air-cooled condensation heat transfer is the convective heat transfer characteristics of air. Therefore, for the well-designed long-term cooling passive safety system, the consideration of the optimal design of the fin geometry is needed, and the experimental and numerical validations of the heat transfer capability of the finned tube would be required.
When the steam is used as working fluid in fluid machinery, different from other gases as air, phase transition (steam condensation) can occur and it affects not only the flow fields, but also machine performance & efficiency. Therefore, considering phase transition phenomena in CFD calculation is required to achieve accurate prediction of steam flow and non-equilibrium wet-steam model is needed to simulate realistic steam condensing flow. In this research, non-equilibrium wet-steam model is implemented on in-house code(T-Flow), the flow fields including phase transition phenomena in convergent-divergent nozzle are studied and compared to results of advance researches.
물과 증기의 직접접촉에 의한 응축 열전달은 움직이는 증기/물 경계면에서 열 및 물질 전달이 이루어지는 현상으로서, 매우 큰 열전달계수를 수반하는 특징이 있기 때문에 이를 응용한 설계가 산업계에서 광범위하게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 단일 수평 배관을 통해 과냉각수가 있는 응축탱크로 안정된 증기제트가 방출될 때, 증기제트 형상을 예측하는 간단한 응축해석모델을 제시하였다. 해석모델은 축대칭 좌표계에서 질량, 운동량 및 에너지 방정식과 증기/물 경계면에서 의 응축 특성을 고려한 열평형 방정식을 사용하여 유도하였다. 증기/물 경계에서의 매우 큰 열전달율은 기존의 실험을 근거로 한 유효열전도계수에 의해 반영되었다. 해석결과는 실험결과와 비교하였고, 제시된 해석 모델은 실험에서 관찰된 바와 같이 증기 질량유속과 수조 온도가 증가할수록 증기제트 크기(반경 및 길이)가 증가하는 경향을 보였다.
Shu Soma;Masahiro Ishigaki;Satoshi Abe;Yasuteru Sibamoto
Nuclear Engineering and Technology
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제56권7호
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pp.2524-2533
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2024
When analyzing containment thermal-hydraulics, computational fluid dynamics (CFD) is a powerful tool because multi-dimensional and local analysis is required for some accident scenarios. According to the previous study, neglecting steam bulk condensation in the CFD analysis leads to a significant error in boundary layer profiles. Validating the condensation model requires the experimental data near the condensing surface, however, available boundary layer data is quite limited. It is also important to confirm whether the heat and mass transfer analogy (HMTA) is still valid in the presence of bulk condensation. In this study, the boundary layer measurements on the vertical condensing surface in the presence of air were performed with the rectangular channel facility WINCS, which was designed to measure the velocity, temperature, and concentration boundary layers. We set the laminar flow condition and varied the Richardson number (1.0-23) and the steam volume fraction (0.35-0.57). The experimental results were used to validate CFD analysis and HMTA models. For the former, we implemented a bulk condensation model assuming local thermal equilibrium into the CFD code and confirmed its validity. For the latter, we validated the HMTA-based correlations, confirming that the mixed convection correlation reasonably predicted the sum of wall and bulk condensation rates.
In the present study, we investigated the velocity distribution, temperature distribution and condensation characteristics of steam jet issuing from four different orifice nozzles with a Reynolds number of approximately 79,000 using the phase Doppler particle analyzer system and a K-type thermocouple. The steam jet discharged from the orifice nozzle has a wider jet width compared to pipe nozzle because of the vena-contracta which can enhance the mixing of steam jet with the ambient air. Therefore, the orifice jet showed less condensation due to its wideness, resulting in small velocity decay rate and large temperature decay rate due to momentum conservation and decreased latent heat release compared to pipe nozzle, respectively. Also, the wider jet width of the orifice jet resulted in larger velocity and temperature spread rate compared to the pipe jet. In addition, the increase in the aspect ratio of the orifice jet led to more condensation and larger velocity spread rate and temperature spread rate due to both the vena-contracta and axis-switching effect, resulting in the increase of jet entrainment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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