격납건물 피동열침원 응축열전달 해석 고도화를 위한 기구학적 액막 모델 개발 및 적용 = Development and Application of a Mechanistic Liquid Film Model to Advance Condensation Heat Transfer Analysis in Passive Heat Sinks of Containment

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 격납건물 피동열침원에서 발생하는 응축액막의 열수력 거 동을 정밀하게 해석하기 위해 액막 운동량 방정식 기반의 기구학적 액막 모델을 개발하고 적용하였다. 개발 모델은 응축량 변화에 따른 액막 질량 유량, 액막 두께, 속도분포 및 계면 전단응력의 변화를 일관되게 계산하도 록 구성하였다. 또한 과냉각도 변화, 파형 액막, 난류 액막 및 곡률 효과를 고려하여 기존 Nusselt 모델과 비교하였다. POSTECH 조건에서는 파형 액막 보정을 적용한 개발 모델이 기존 Nusselt 모델 대비 평균 오차 크기 를 감소시켰다. KAIST 조건에서는 전체 데이터에 대한 MPE가 Nusselt 모델 44.22%에서 기구학적 액막 모델 24.32%로 감소하였으나, 대표조건의 축방향 국소 열전달계수 분포에는 편차가 남았다. ZZU 조건에서는 Cylinder analytic 보정 적용 시 두 모델 모두 약 54% 수준의 MPE를 보였 고, Popiel 곡률 보정 적용 시 오차가 증가하여 자연대류 곡면 응축 조건에 서 곡률 보정 방식의 적용 한계를 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 제2절 연구 목표 및 범위 5
• 1. 피동열침원 기구학적 액막 모델 개발의 필요성 5
• 2. 연구 목표 8
• 제2장 이론적 배경 및 응축 실험 고찰 9
• 제1절 층류 막응축 열전달의 이론적 모델 및 주요 영향 인자 9
• 1. 막응축 액막 질량유량 해석의 이론적 배경 9
• 1.1. Nusselt 해석: 액막 유동의 기준 모델 12
• 1.2. Rohsenow 해석: 계면 전단응력 효과를 고려한 확장 모델 13
• 1.3. Chen 해석: 경계층법에 의한 질량유량 보정 모델 15
• 2. 파형 액막의 파동효과 17
• 3. 포화증기의 층류 막응축에 미치는 기준온도 모델의 영향 20
• 제2절 액막 모델 검증 및 적용성 평가 대상 응축 실험 · 23
• 1. POSTECH(1996) 실험 24
• 2. KAIST(1999) 실험 25
• 3. ZZU(2021) 실험 27
• 제3장 모델링 30
• 제1절 액막 모델 개발 30
• 1. 기구학적 액막 모델의 운동량 방정식 30
• 2. 경계면 전단응력 30
• 3. 기구학적 액막 모델의 수치해법 31
• 3.1. 속도 무차원화 31
• 3.2. 수치해법 32
• 3.2.1. 수치 적분 방법 33
• 3.2.2. 질량 보존 확인 34
• 3.2.3. 반복 해법 절차와 수렴 조건 35
• 4. 액막 열전달계수의 산정 방법 38
• 4.1. 층류 액막 열전달계수 38
• 4.2. 난류 액막 열전달계수 38
• 제4장 액막 모델 검증 및 적용 44
• 제1절 Nusselt 모델과의 비교 분석 44
• 1. 동일 질량유량에 따른 Nusselt 모델과의 비교 분석 44
• 2. 과냉각도 변화에 따른 Nusselt 모델과의 비교 분석 48
• 제2절 개발 액막 모델 실험 검증 및 적용성 평가 75
• 1. POSTECH 실험 검증 75
• 2. KAIST 실험 적용성 평가 82
• 3. ZZU 실험 적용성 평가 93
• 제5장 결론 99
• 참고문헌 102