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.
A dryout mechanism model for rectangular narrow channels at high pressure conditions is developed by assuming that the Kelvin-Helmholtz instability triggered the occurrence of dryout. This model combines the advantages of theoretical analysis and empirical correlation. The unknown coefficients in the theoretical derivation are supported by the experimental data. Meanwhile, the decisive restriction of the experimental conditions on the applicability of the empirical correlation is avoided. The expression of vapor phase velocity at the time of dryout is derived, and the empirical correlation of liquid film thickness is introduced. Since the CHF value obtained from the liquid film thickness should be the same as the value obtained from the Kelvin-Helmholtz critical stability under the same condition, the convergent CHF value is obtained by iteratively calculating. Comparing with the experimental data under the pressure of 6.89-13.79 MPa, the average error of the model is -15.4% with the 95% confidence interval [-20.5%, -10.4%]. And the pressure has a decisive influence on the prediction accuracy of this model. Compared with the existing dryout code, the calculation speed of this model is faster, and the calculation accuracy is improved. This model, with great portability, could be applied to different objects and working conditions by changing the expression of the vapor phase velocity when the dryout phenomenon is triggered and the calculation formula of the liquid film.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.12
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pp.953-963
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2015
There is an increasing need to understand the thermal-hydraulic phenomena, including the critical heat flux (CHF), in narrow rectangular channels and consider these in system design. The CHF mechanism under a saturated flow boiling condition involves the depletion of the liquid film of an annular flow. To predict this type of CHF, the previous representative liquid film dryout models (LFD models) were studied, and their shortcomings were reviewed, including the assumption that void fraction or quality is constant at the boundary condition for the onset of annular flow (OAF). A new LFD model was proposed based on the recent constitutive correlations for the droplet deposition rate and entrainment rate. In addition, this LFD model was applied to predict the CHF in vertical narrow rectangular channels that were uniformly heated. The predicted CHF showed good agreement with 284 pieces of experimental data, with a mean absolute error of 18. 1 % and root mean square error of 22.9 %.
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.
A mechanistic model for forced convective transition boiling has been developed to predict transition boiling heat flux realistically. This model is based on a postulated multistage boiling process occurring during the passage time of an elongated vapor blanket specified at a critical heat flux condition. Between the departure from nucleate boiling (DNB) and the departure from film boiling (DFB) points, the boiling heat transfer is established through three boiling stages, namely, the macrolayer evaporation and dryout governed by nucleate boiling in a thin liquid film and the unstable film boiling. The total heat transfer rate during the transition boiling is the sum of the heat transfer rates after the DNB weighted by the time fractions of each stage, which are defined as the ratio of each stage duration to the vapor blanket passage time. The model predictions are compared with some available experimental transition boiling data. From these comparisons, it can be seen that the transition boiling heat fluxes including the maximum heat flux and the minimum film boiling heat flux are nil predicted at low qualities/high pressures near 10 bar.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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