Prediction of boiling heat transfer in superheated liquid using bubble dynamics simulation of single bubble nucleate boiling : 단일 기포 핵비등 수치해석 시뮬레이션을 이용한 과열 액체에서의 비등 열전달 예측

국문 초록 (Abstract)

증기 발생이나 제한된 온도 조건에서의 효과적인 열전달 실현을 위해 다양한 열교환 기기에서 비등 열전달 현상을 차용하고 있습니다. 얼마나 낮은 벽면온도에서 얼마나 큰 열유속으로 열에너지 교환을 할 수 있느냐는 늘 중요한 관심의 대상이었으며, 그 때의 열유속이 얼마인지에 대한 수많은 연구들이 보고되어왔습니다. 핵비등 영역에서의 비등 열전달 성능은 기포 이탈 직경이나 이탈빈도와 같은 기포역학적 매개변수에 크게 의존하는 것으로 알려져 있으며, 본 연구에서는 전체 바닥면이 일정한 온도로 가열되는 포화 핵비등 조건에서 상변화 열전달 수치 시뮬레이션을 통해 예측하였습니다. 전체 바닥면이 가열되는 조건에서, 기포 핵이 생성되는 영역을 제외한 나머지 과열액에서는 열경계층이 성장하여 지속적인 기포의 생성 – 이탈 주기가 반복됨에 따라 기포 역학적 매개변수에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있었습니다. 따라서 핵비등 열전달 성능 예측을 위해 열유속 분할모델에 수치해석으로 얻은 기포역학 매개변수를 활용하였습니다. 순수 물에 대해 기포역학 해석 및 과열도에 따른 열유속 예측 연구를 진행하였습니다. 다양한 연구자들에 의해 진행된 실험 결과들과 비교하였을 때, 열경계층이 얇게 형성된 핵비등 초기에 우수하게 일치하였으나 열경계층이 성장하며 기포 성장을 가속화한 결과 더 높은 열유속이 예측되었습니다. 본 연구 성과는 전체 바닥면이 가열되는 조건에서 단일 기포의 기포역학 수치해석 시뮬레이션만으로 유체의 핵비등 특성을 정확하게 예측하여 일정한 가열 조건에서 장시간 핵비등이 진행될 시 기포의 성장이 가속화되며 이후 열 평형 조건에 이르러 기포역학 매개변수가 안정화되는 사실을 발견한 것을 보인 의미가 있습니다. 이는 산업현장의 기계장치가 비등 열전달 조건에서 장시간 운용될 때의 냉각 성능을 예측하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• II. Numerical Methods 7
• III. Results and Discussion 14
• 1. Validation 14
• 2. Bubble departure diameter 𝐷𝑑 15
• 3. Bubble departure frequency 𝑓𝑠 20
• 4. Quasi-steady state condition 27
• 5. Heat flux 𝑞" 28
• IV. Conclusion 32
• References 34
• (초 록) 39