In this paper, a segregated finite element program for the analysis of an axisymmetric steady flow has been developed in order to investigate the flow inside an annular pipe with a periodic obstacle. For the verification of the developed code, a developing pipe flow has been solved and the solution is in a good agreement with the existing results. For the analysis of the flow inside an annular pipe with a periodic obstacle, three types of periodic obstacle are considered. From the present numerical analysis, various physical variables including flow pattern, pressure distribution and residence time are investigated as a preliminary study to the heat transfer analysis of an annular pipe flow with a periodic obstacle.
Annular flow refers to a special type of two-phase flow pattern in which liquid flows as a thin film at the periphery of a pipe, tube, or conduit, and gas with relatively high velocity flows at the center of the flow section. This gas also includes dispersed liquid droplets. The liquid film flow rate continuously changes inside the tube due to two processes-entrainment and deposition. To determine the liquid holdup, pressure drop, the onset of dryout, and heat transfer characteristics in annular flow, it is important to have proper knowledge of flow characteristics. Especially a better understanding of entrainment fraction is important for the heat transfer and safe operation of two-phase flow systems operating in an annular two-phase flow regime. Therefore, the objective of this work is to develop a computational model for the simulation of the annular two-phase flow regime and assess the various existing models for the entrainment rate. In this work, Computational Fluid Dynamics (CFD) in ANSYS FLUENT has been applied to determine annular flow characteristics such as liquid film thickness, film velocity, entrainment rate, deposition rate, and entrainment fraction for various gas-liquid flow conditions in a vertical upward tube. The gas core with droplets was simulated using the Discrete Phase Model (DPM) which is based on the Eulerian-Lagrangian approach. The Eulerian Wall Film (EWF) model was utilized to simulate liquid film on the tube wall. Three different models of Entrainment rate were implemented and assessed through user-defined functions (UDF) in ANSYS. Finally, entrainment for fully developed flow was determined and compared with the experimental data available in the literature. From the simulations, it was obtained that the Bertodano correlation performed best in predicting entrainment fraction and the results were within the ±30 % limit when compared to experimental data.
In many semi-empirical analyses of flow boiling heat transfer, an annular flow is often assumed as a model flow and the local liquid film thickness is a key parameter in the analysis. This work considers a simple electrical conductance technique to estimate the local liquid film thickness in two-phase annular flows. In this approach, many electrodes are mounted flush with the inner wall of the pipe. Voltage differences between two neighboring electrodes for concentric annular flows with various liquid film thicknesses are obtained before the main experiments and logged in a look-up table. For an actual application in the annual flow, voltage differences of neighboring electrodes are measured and then corresponding local film thicknesses are determined by the interpolation of the look-up table. Even though the proposed technique is quite simple and straightforward, the numerical and static phantom experiments support its usefulness.
The effects of a mixing vane on air-water mixed flow have been experimentally studied in this work, to investigate the basic mechanisms that the mixing vane affects critical heat flux (CHF). Experiment was performed for various flow rates focusing on bubbly flow and annular flow patterns. Acrylic tube (1.7m long, 11 mm I.D.) and the split vane type mixing vane were used, and ring-type conductance probes were used to measure the liquid film thickness in annular flow. Experimental results show that, (a) bubbly-to slug flow transition and churn-to-annular flow transition occur respectively near the mixing vane compared to the tests without mixing vane, (b) in bubbly flow region, the mixing vane breaks the bubbles into smaller ones and forwards bubbles to the center region of the tube by the centrifugal force, (c) the liquid film thickness in annular flow is decreased near the mixing vane for mass fluxes.
This study is intend to improve flow pattern within evaporator, which is low quality and low mass flux, by installing narrow horizontal annular crevice so that enhance heat transfer coefficient. The motive, which made to study heat transfer enhancement by using narrow annular crevice, came from capillary phenomena and pumping force of generating vapor on refrigerant boiling. Tests were run about 5 models of turbulence promoter with CFC-12, in the range of evaporating temperature (15.deg. C), mass flux (50 to 100 kg/m$\^$2/s), heat flux (3.4 to 6.7 kW/m$\^$2/), quality (0.1 to O.5). It is observed that flow pattern within evaporator is changed closely to semi-annular flow or annular flow, of which refrigerant liquid is reached to the upper side of tube by using narrow annular crevice. When the narrow annular crevice is installed in the evaporator tube, local heat transfer coefficient is generally more improved than that of smooth tube. That fact is according to observed result of flow pattern. It is learned that narrow annular crevice has more efficiency at a low mass flux. At the TP-5, enhancement of heat transfer rate is about 170% compare to that of smooth tube on a low mass flux (50 kg/m$\^$2/s), and it is about 134% on a high mass flux (100 kg/M$\^$2/S), so that we know that it is on a very high condition.
Spiral jet is characterized by a wide region of the free vortex flow with a steep axial velocity gradient, while swirl jet is largely governed by the forced vortex flow and has a very low axial velocity at the jet axis. However, detailed generation mechanism of spiral flow components is not well understood, although the spiral jet is extensively applied in a variety of industrial field. In general, it is known that spiral jet is generated by the radial flow injection through an annular slit which is installed at the inlet of a conical convergent nozzle. The present study describes a computational work to investigate the effects of annular slit on the spiral jet. In the present computation, a finite volume scheme is used to solve three dimensional Naver-Stokes equations with RNG ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulent model. The annular slit width and the pressure ratio of the spiral jet are varied to obtain different spiral flows inside the conical convergent nozzle. The present computational results are compared with the previous experimental data. The results obtained obviously show that the annular slit width and the pressure ratio of the spiral jet strongly influence the characteristics of the spiral jets, such as tangential and axial velocities.
본 연구에서는 동심원관에서 기-수 이상류가 상향과 하향유동을 하는 경우에 대하여 시간평균 국부보이드율을 계측하여 확률밀도함수를 구하고, 이들로부터 통계량 인 분산도, 비대칭도계수, 첨도계수를 계산하여, 이들 값과 유동양식을 관련시켜 유동 양식의 판별기준을 정량적으로 제시하는데 목적이 있다. 또한 환상간제과 간제의 반 경방향 입치 및 유동양식에 따르는 시간평균국부보이드율의 변동을 구명하는데도 목적 을 두어 일차적으로 상향유동 경우에 대한 연구결과를 보고한다.
Dual-cooled fuel with inner and outer flow channel was proposed for high burup, next generation nuclear fuel design. The annular cylinder of dual cooled fuel has higher structural strength compared to the conventional one, but also have concerns about flow induced vibration due to an additional flow of inner channel and the difference of flow velocity in between inner and outer channel. In this study, the dynamic stability of flexible, annular cylinder was evaluated according to the flow variation and compared to the that of the conventional PWR fuel rod. Centrifugal and Coriolis force by the additional flow in the inner channel were added in the dynamic equation of flexible beam in uniform, external, and axial flow. Complex eigenfrequency was calculated by the finite element method. Stability margin of annular cylinder compared to the solid cylinder and change of the dynamic characteristic are presented and discussed as a analysis results.
This article presents a unified analytical solution for the analysis of thermal deformations and stresses in elastic annular disks with arbitrary cross-sections of continuously variable thickness. The annular disk is assumed to be under steady heat flow conditions, in which the inner surface of the annular disk is at an initial temperature and the outer surface at zero temperature. The governing second-order differential equation is derived from the basic equations of the thermal annular disks and solved with the aid of some hypergeometric functions. Numerical results for thermal stresses and displacement are given for various annular disks. These disks include annular disks of thickness profiles in the form of general parabolic and exponential functions. Additional annular disks with nonlinearly variable thickness and uniform thickness are also included.
We modeled the liquid film dryout(LFD) process for both tube and annulus which have uniformly heated vertical channels. We set phenomenological initial conditions in the model. The initial void fraction on the onset of the annular flow location is derived from the physical chum-to-annular flow criterion with the help of the drift-flux-model. The initial thermodynamic-equilibrium-quality is calculated by iteration with the flow quality to find the onset of the annular-flow location. Present model tends to predict very well at the lower exit quality but under-estimates at the higher exit quality. We found that the prediction error of the present model is gradually bigger as the inlet subcooling approaches near the saturation. We obtained excellent results for both tube and annulus channels as the mean of 0.97 and root-mean-square error of 11% for the number of 3883 experimental data on tubes, and of 0.96 and of 12% for 593 on annuli. The present model extended the applicable range to the relatively low exit quality region than previous LFD models.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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