A mechanistic model based on wall-attached bubble coalescence, previously developed by the authors, was extended to predict a vow high critical heat flux (CHF)in highly subcooled flow boiling, especially for high mass flux and small tube diameter conditions. In order to take into account the enhanced condensation due to high subcooling and high mass velocity in small diameter tubes, a mechanistic approach was adopted to evaluate the non-equilibrium flow quality and void fraction in the subcooled water flow boiling, with preserving the structure of the previous CHF model. Comparison of the model predictions against highly subcooled water CHF data showed relatively good agreement over a wide range of parameters. The significance of the proposed CHF model lies in its generality in applying over the entire subcooled flow boiling regime including the operating conditions of fission and fusion reactors.
Based on the bubble coalescence adjacent to the heated wall as a flow structure for CHF condition, Chang and Lee developed a mechanistic critical heat flux (CHF) model for subcooled flow boiling. In this paper, improvements of Chang-Lee model are implemented with more solid theoretical bases for subcooled and low-quality flow boiling in tubes. Nedderman-Shearer's equations for the skin friction factor and universal velocity profile models are employed. Slip effect of movable bubbly layer is implemented to improve the predictability of low mass flow. Also, mechanistic subcooled flow boiling model is used to predict the flow quality and void fraction. The performance of the present model is verified using the KAIST CHF database of water in uniformly heated tubes. It is found that the present model can give a satisfactory agreement with experimental data within less than 9% RMS error.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제17권2호
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pp.36-43
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1993
Real quality and axial void fraction distribution of subcooled refrigerant flow is very important to predict the heat transfer rate and pressure drop in the design of refrigerating system. In the subcooled boiling region, the liquid bulk temperature is still below the corresponding saturation temperature. But beyond the net vapor generation point, bubble detachment is occured actively from the vapor layer formed on the wall. A reliable method to predict the vapor fraction from the liquid bulk temperature is suggested in this paper. And also the actual quality of the subcooled R-113 flow is calculated in the range of 261-1239kg/$m^2$s mass velocity and 10-30K subcooling.
A multiphase CFD analysis is performed to investigate the effect of near-wall grid for simulating a subcooled boiling flow in vertical tube. The multiphase flow model used in this CFD analysis is the two-fluid model in which liquid(water) and vapor(steam) are considered as continuous and dispersed fluids, respectively. A wall boiling model is also used to simulate the subcooled boiling heat transfer at the heated wall boundary. The diameter and heated length of tube are 0.0154 m and 2 m, respectively. The system pressure in tube is 4.5 MPa and the inlet subcooling is 60 K. The near-wall grid size in the non-dimensional wall unit ($y_{w}^{+}$) was examined from 64 to 172 at the outlet boundary. The CFD calculations predicted the void distributions as well as the liquid and wall temperatures in tube. The predicted axial variations of the void fraction and the wall temperature are compared with the measured ones. The CFD prediction of the wall temperature is shown to slightly depend on the near-wall grid size but the axial void prediction has somewhat large dependency. The CFD prediction was found to show a better agreement with the measured one for the large near-wall grid, e.g., $y_{w}^{+}$ > 100.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제18권3호
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pp.26-33
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1994
A new reliable method to prediet the axial vapor fraction distribution from the measured probability density of the liquid bulk temperature is suggested in this paper. And also the actual quality of the subcooled boiling flow is easily calculated from the liquid bulk temperature. When the heat generating rate is reached to the CHF value, the sharp wall temperature increasing by the wall temperature fluctuation is occurred under the CHF condition. This paper presents the simple wall temperature fluctuation model of transition boiling by the repeating process of overheating and quenching, when the coalescent bubble passes slowly near the wall. Experiments for the subcooled R-113 flow are carride-out in the range of(0.9399~4.461)${\times}10^6$kg/$m^2$hr mass velocity and 10~3$0^{\circ}C$ intel subcooling condition.
Film boiling heat transfer of the subcooled turbulent liquid film flow on a horizontal plate was investigated by theoretical and experimental studies. In the theoretical analysis, by solving the integral energy and momentum equations analytically, some generalized expressions for Nusselt number was deduced. Next, by comparing the deduced equations with the experimental data on the turbulent film boiling heat transfer of the subcooled thin liquid film flow, the semi-empirical relation between the Nusselt number based on the modified heat transfer coefficient and the Reynolds number was obtained. The correlating equation was very similar to that of the turbulent heat transfer in a single phase flow, and it was found that the heat transfer was dissipated to increase the liquid temperature.
In the one-dimensional thermal-hydraulic (TH) codes, a subcooled boiling model to predict the void fraction profiles in a vertical channel consists of wall heat flux partitioning, the vapor condensation rate, the bubbly-to-slug flow transition criterion, and drift-flux models. Model performance has been investigated in detail, and necessary refinements have been incorporated into the Safety and Performance Analysis Code (SPACE) developed by the Korean nuclear industry for the safety analysis of pressurized water reactors (PWRs). The necessary refinements to models related to pumping factor, net vapor generation (NVG), vapor condensation, and drift-flux velocity were investigated in this study. In particular, a new NVG empirical correlation was also developed using artificial neural network (ANN) techniques. Simulations of a series of subcooled flow boiling experiments at pressures ranging from 1 to 149.9 bar were performed with the refined SPACE code, and reasonable agreement with the experimental data for the void fraction in the vertical channel was obtained. From the root-mean-square (RMS) error analysis for the predicted void fraction in the subcooled boiling region, the results with the refined SPACE code produce the best predictions for the entire pressure range compared to those using the original SPACE and RELAP5 codes.
boiling flow in vertical tube. The multiphase flow model used in this CFD analysis is the two-fluid model in which liquid(water) and gas(vapour) are considered as continuous and dispersed fluids, respectively. A wall boiling model is also used to simulate the subcooled boiling heat transfer at the heated wall boundary. The diameter and heated length of tube are 0.0154 m and 2 m, respectively. The system pressure in tube is 4.5 MPa and the inlet subcooling is 60 K. The near-wall grid size in the non-dimensional wall unit for lqiuid phase ($y^+_{w,l}$) was examined from 101 to 313 at the outlet boundary. The CFD calculations predicted the void distributions as well as the liquid and wall temperatures in tube. The predicted axial variations of the void fraction and the wall temperature are compared with the measured ones. The CFD prediction of the wall temperature is shown to slightly depend on the near-wall grid size but the axial void prediction has somewhat large dependency. The CFD prediction was found to show a better agreement with the measured one for the large near-wall grid, e.g., $y^+_{w,l}$ > 300 at the tube exit.
Wisudhaputra, Adnan;Seo, Myeong Kwan;Yun, Byong Jo;Jeong, Jae Jun
Nuclear Engineering and Technology
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제54권3호
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pp.1126-1135
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2022
The MARS code has been assessed for the prediction of onset of flow instability (OFI) in a vertical channel. For assessment, we built an experiment database that consists of experiments under various geometry and thermal-hydraulic condition. It covers pressure from 0.12 to 1.73 MPa; heat flux from 0.67 to 3.48 MW/m2; inlet sub-cooling from 39 to 166 ℃; hydraulic diameters between 2.37 and 6.45 mm of rectangular channels and pipes. It was shown that the MARS code can predict the OFI mass flux for pipes reasonably well. However, it could not predict the OFI in a rectangular channel well with a mean absolute percentage error of 8.77%. In the cases of rectangular channels, the error tends to depend on the hydraulic diameter. Because the OFI is directly related to the subcooled boiling in a flow channel, we suggest a modified subcooled boiling model for better prediction of OFI in a rectangular channel; the net vapor generation (NVG) model and the modified wall evaporation model were modified so that the effect of hydraulic diameter and heat flux can be accurately considered. The assessment of the modified model shows the prediction of OFI mass flux for rectangular channels is greatly improved.
벽면비등 모델로 열분배모델을 채택하는 CFD 스케일의 전산해석코드는 저압 조건에서 미포화비등 발생 시 2상유동 변수의 해석 정확도가 낮은 것으로 알려진다. 본 연구에서는 열분배모델을 기반으로 벽면비등 현상을 예측하는 열수력 기기해석코드인 CUPID 코드를 이용하여 수직상향류 미포화비등 실험을 해석하였다. 10 bar 이상의 고압 조건에서는 CUPID 코드의 기포율 예측 정확도가 높았으나, 대기압 주변의 저압 조건에서는 기포율 분포에 대한 해석결과가 실험결과와 큰 차이를 보였다. 따라서 열분배모델 내 주요 인자에 사용되는 부모델에 대한 민감도 분석을 수행하였으며, 저압 조건 미포화비등 예측에 적합한 최적 부모델 조합을 선정하였다. 또한, 열분배모델 내 주요 인자 중 하나인 K-인자가 기포율에 미치는 영향을 평가하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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