수직원관에서 메탄의 포화 유동 비등에 대한 CFD 열유동 해석

Abstract

In this study, a numerical analysis study using CFD was performed to confirm the heat transfer mechanism for the saturated flow boiling of methane in a vertical tube. The heat transfer coefficient according to the vapor quality obtained in this study was compared with the results obtained from the experiment to secure the reliability of numerical analysis. Based on the experimental study of Chen and Shi (2015), the diameters of the tube with a length of 1 m are 8 mm and 14 mm. The pressure in the test section was considered to be kept constant at a pressure of 0.7 MPa. In addition, the ranges of mass flow rate and heat flux were 52.36 kg/m^2·s~203.76 kg/m^2·s and 7950.7 W/m^2~56000 W/m^2, respectively. Methane was assumed to be saturated at the entrance to the test section. And numerical analysis was performed with taking into account the phase change models, drag force, lift force, wall lubrication force, turbulence dispersion models, and wall boiling models. The results obtained in this study were compared with the theoretical values and experimental results found in the literature. As a result of the simulation, the vapor quality at the outlet was predicted to be 0.01~0.02 lower than that obtained from the theoretical equation. However, the variation of the vapor quality with respect to heat flux showed a similar trend to the theoretical value. In addition, the increase in vapor quality according to the longitudinal direction of the vertical tube was consistent with the theoretical tendency to increase linearly. When the wall boiling model was applied, the void fraction increased linearly in the flow cross-sectional area from the inlet to the outlet. However, when the wall boiling model was not applied, the void fraction rapidly increased as it passed 0.3 m from the entrance of the vertical pipe. In the case of the heat transfer coefficient according to the vapor quality, the experimental value was predicted to be lower than that obtained by the numerical analysis. In addition, the heat transfer coefficient was not significantly affected by the mass flux, but it was found to depend mainly on the heat flux.

본 연구는 수직원관에서 메탄의 포화유동비등에 대한 열전달 메카니즘을 확인하기 위해 CFD를 이용하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 본 연구에서 얻어진 건도에 따른 열전달계수는 실험으로부터 얻어진 결과와 비교함으로써 수치해석의 신뢰성을 확보하였다. 본 연구에서는 Chen and Shi(2015)의 실험 연구적 연구를 기초로 하여 지름 8mm와 14mm 그리고 길이 1m의 수직원관에서 CFD를 이용한 수치해석이 이루어진다. 시험구간의 압력은 0.7MPa의 압력으로 일정하게 유지되는 것으로 간주하였으며, 질량유속과 열유속의 범위는 각각 52.36kg/m^2·s~203.76kg/m^2·s과 7950.7W/m^2 ~ 56000W/m^2이다. 메탄은 포화상태로 유입되는 것으로 가정하였으며, 수치해석은 상변화 모델, 항력, 양력, 벽윤활, 난류모델, 그리고 벽비등모델등을 고려하여 수행되었다. 본 연구에서 얻어진 결과는 문헌에 제시된 이론적인 계산식 및 실험 데이터와 비교하였다. 시뮬레이션 결과 출구에서 증기 건도는 이론적인 건도 계산식에 비하여 0.01~0.02정도 낮게 예측하였으나 이론적인 값과 유사한 경향을 나타내었으며, 관의 길이 방향에 따른 건도의 증가는 선형적으로 증가하는 이론적인 경향과 일치하였다. 벽비등모델을 적용하였을 경우에는 입구에서 출구까지 유동 단면적에서 기공률은 선형적으로 증가하는 반면, 벽비등모델이 적용되지 않았을 때는 수직관 입구로부터 0.3m 지점을 지나면서 급격하게 기공률이 증가하였다. 건도에 따른 열전달계수는 실험수치가 수치해석에 비해 낮게 예측되었으며, 열전달계수는 질량유속에는 크게 영향을 받지 않으나 열유속에 크게 의존하는 것으로 나타났다.