As a step toward accurate prediction of droplet impingement and ice accretion on aircraft, an Eulerian-based droplet impingement and ice accretion code for air flows around an airfoil containing water droplets is developed. A CFD solver based on the finite volume method was also developed to solve the clean airflow. The finite-volume-based approach for simulating droplet impingement on an airfoil was employed owing to its compatibility with the CFD solver and robustness. For ice accretion module, a simple model based on the control volume is combined with the droplet impingement module that provides the collection efficiency. To validate the present code, it is compared with NASA Glenn IRT (Icing Research Tunnel) experimental data and other well-known icing codes such as LEWICE and FENSAP-ICE. It is shown that the collection efficiency and shape of ice accretion are in good agreement with previous experimental and simulation results.
This study investigated the damage to the specimen due to liquid droplet impingement erosion corrosion, which improved the corrosion resistance and durability via hard anodization of 5083-H321 aluminum alloy, which is widely used for small ships and marine structures. The experiment combined liquid droplet impingement erosion and electrochemical equipment with the flow rates in natural seawater solution. Subsequently, Tafel extrapolation of polarization curves was performed to evaluate damage due to the liquid droplet impingement erosion corrosion. The damaged surface was observed using a 3D microscope and a scanning electron microscope. The degree of pitting damage was measured using the Image J program, and the surface hardness was measured using the micro-Vickers hardness tester. The corrosion current density, area, depth, and ratio of the damaged areas increased with the increase in flow rate. The grain size of the damaged area at a flow rate of 20 m s-1 showed fewer and minor differences in height, and a smooth curved shape. The hardness of the damaged surface tended to decrease with increase in flow rate.
An experimental study is presented for water droplet impingement on a steel surface in the process of heat treatment. The objective of the present work is to examine characteristic of evaporation cooling due to surface roughness and droplet diameter under conductive heat input condition. The surface temperatures varied from $80{\sim}155^{\circ}C$, surface roughness was from $R_a=0.12{\mu}m$ to $R_a=1.14{\mu}m$ and droplet diameter was from 2.4 mm to 3.0 mm. The results show that the total evaporation time is shorter for the larger surface roughness and the smaller droplet size, the time average heat flux has maximum value for the larger surface roughness and the smaller droplet size. The total evaporation time has not influence on the nuclear boiling region.
Wall thinning of pipeline in power plants occurs mainly by flow acceleration corrosion (FAC), cavitation erosion (C/E), liquid droplet impingement erosion (LDIE). Wall thinning by FAC and C/E has been well investigated; however, LDIE in plant industries has rarely been studied due to the experimental difficulty of setting up a long injection of highly-pressurized air. In this study, we designed a long-term experimental system for LDIE and investigate the behavior of LDIE for three kinds of materials (A106B, SS400, A6061). The main control parameter was the air-water ratio (${\alpha}$), which was defined as the volumetric ratio of water to air (0.79, 1.00, 1.72). In order to clearly understand LDIE, the spraying velocity (${\nu}$) of liquid droplets was controled larger then 160 m/s and the experiments were performed for 15 days. Therefore, this research focuses relation between erosion rate and air-water ratio on the various pipe-flow materials. NPP(nuclear power plant)'s LDIE prediction theory and management technique were drawn from the obtained data.
Pipe wall thinning caused by erosion and corrosion can adversely affect the operation of aged nuclear power plants. Some injured workers owing to pipe rupture has been reported and power reduction caused by unexpected pipe damage has been occurred consistently. Therefore, it is important to develop erosion-corrosion damage prediction model and investigate its mechanisms. Especially, liquid droplet impingement erosion(LDIE) is regarded as the main issue of pipe wall thinning management. To investigate LDIE mechanism with corrosion environment, we developed erosion-corrosion damage simulation apparatus and its capability has been verified through the preliminary damage experiment of 6061-Al alloy. The apparatus design has been based on ASTM standard test method, G73-10, that use high-speed rotator and enable to simulate water hammering and droplet impingement. The preliminary test results showed mass loss of 3.2% in conditions of peripheral speed of 110m/s, droplet size of 1mm-diameter, and accumulated time of 3 hours. In this study, the apparatus design revealed feasibility of LDIE damage simulation and provided possibility of accelerated erosion-corrosion damage test by controlling water chemistry.
The breakup behaviors of impinging droplet on a hot surface are studied experimentally. The droplets are produced by the dripping method and the breakup behaviors of liquid droplet are recorded by photographs. Experimental conditions are, droplet diameter di : 2.5, 3.2 [mm], weber number : $30{\sim}140$, surface temperature : $28^{\circ}C(room\;temperature){\sim}450^{\circ}C$. Water is used to liquid. As weber number of droplet increases, a liquid sheet, which is formed after the impingement on a hot surface, is disintergrated by the dynamical effect. But at low weber number, it has effected by thermodynamical effect. The breakup behaviors of droplet are divided into three patterns with weber number and surface temperature, non-disintegration, transition and disintegration region. Further, these boundary values are affected by the hot surface temperature and weber number. SMD of breakup droplets are calculated in according to surface temperatures and weber number. The minium SMD of breakup droplets are observed at weber number 65.49, temperature $250^{\circ}C$ and weber number 99.08, temperature $350^{\circ}C$.
The most common pipe wall thinning degradation mechanisms that can occur in the steam and feedwater systems are FAC (Flow Acceleration Corrosion), cavitation, flashing, and LDIE (Liquid Droplet Impingement Erosion). Among those degradation mechanisms, FAC has been investigated by many laboratories and industries. Cavitation and flashing are also protected on the piping design phase. LDIE has mainly investigated in aviation industry and turbine blade manufactures. On the other hand, LDIE has been little studied in NPP (Nuclear Power Plant) industry. This paper presents the development of prediction system for pipe wall thinning caused by LDIE in terms of erosion rate based on air-water ratio and material. Experiment is conducted in 3 cases of air-water ratio 0.79, 1.00, and 1.72 using the three types of the materials of A106B, SS400, and A6061. The main control parameter is the air-water ratio which is defined as the volumetric ratio of water to air (0.79, 1.00, 1.72). The experiments were performed for 15 days, and the surface morphology and hardness of the materials were examined for every 5 days. Since the spraying velocity (v) of liquid droplets and their contact area ($A_c$) on specimens are changed according to the air-water ratio, we analyzed the behavior of LDIE for the materials. Finally, the prediction equations(i.e. erosion rate) for LDIE of the materials were determined in the range of the air-water ratio from 0 to 2%.
Ice accretion on aircraft surface can greatly impair the aerodynamic performance of aircraft. As an alternative to the traditional Lagrangian particle tracking approach, an Eulerian-based droplet impingement and ice accretion code for air flows containing water droplets was developed A CFD solver was also developed to solve the clean airflow. The results of present method were compared with experimental data and previous icing codes such as LEWICE and FENSAP-ICE and were confirmed to show good agreement each other in qualitative and quantitative ways.
본 논문에서는 나노임프린트 리소그래피 기술을 이용하여 다양한 발수 표면을 제작하였으며, 발수기능의 안정성을 향상시키기 위해 액적의 충돌 거동에 대하여 평탄한 단위면적에 대한 구조물의 면적비인 표면 변수의 영향에 대한 연구를 수행하였다. 액적의 충돌 거동을 연구하기 위해 액적 충돌 시험을 통하여 충돌한 액적이 되튐에서 분산으로 천이 되는 임계높이를 측정하였다. 높은 표면 변수에서는 낮은 임계높이가 관찰되었으나, 낮은 표면변수에서는 임계높이가 증가하는 경향을 관찰하였다. 그러나, 표면변수가 더욱 감소할 경우 임계높이가 다시 감소하는 경향을 보였다. 관찰된 결과는 높은 임계높이를 위해서는 최적의 표면 형상 설계가 요구됨을 제시하고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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