[논문 리뷰] Interfacial area transport for bubbly-to-slug transition flows in small diameter pipes

Zhuoran Dang, Mamoru Ishii|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 09.

Fluid Dynamics and Mixing참고 문헌 33인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 소형 직경 파이프(12.7 mm)에서 기포류에서 슬러그 유형으로의 전이 동안 급격한 상간 이송을 예측하기 위해 IATE(계면면적 운반 방정정식)를 위한 전이 함수를 개발한다. 기포 크기 및 비율 임계값을 이용해 난류 유입에 기인한 응집 현상의 발생 조건을 모델링함으로써, 수정된 모델은 시그모이드 형태의 전이 함수를 통해 저속액체 유속 영역에서 기존 IATE가 실패하는 경우에도 예측 정확도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

This study aims to experimentally investigate the two-group interfacial area transport in small diameter pipes. Experimental data focusing on the bubbly to slug transition regime, namely one-group to two-group transport region, are collected in a 12.7 mm vertical pipe under adiabatic, air-water conditions. The result shows the intergroup transfer in the small diameter pipe can be drastic, especially under low superficial liquid velocities. The cause of this phenomenon is mainly due to the large relative bubble size comparing to the pipe cross-sectional area. The wake entrainment effect could be enhanced by the small spherical bubbles that are acting like cap or slug bubbles in a medium-size pipe. Based on the experimental observation, a throughout analysis of the dependence of the drastic intergroup transfer is provided in this study. The models predicting the initiation of drastic intergroup transfer in small diameter pipes in terms of the bubble diameter and the void fraction are developed. These models are compared with the two-phase data among the different pipe sizes and the results show a good agreement. These newly developed models are applied to the IATE wake entrainment model by developing a transition function analogous to the sigmoid function. With the transition function, the revised IATE model is given the new ability on predicting the drastic intergroup transfer phenomenon.

연구 동기 및 목표

• 소형 직경 파이프 내 기포류에서 슬러그 유형으로의 전이 과정에서 급격한 상간 이송이 발생하는 메커니즘을 규명하는 것.
• 유동 안정성 메커니즘과 난류 유입에 기인한 응집이 지배적인 조건—특히 기포 크기와 비율—이 급격한 계면면적 운반을 유도하는 임계 조건을 규명하는 것.
• 12.7 mm 수직 파이프에서의 실험 데이터를 바탕으로 급격한 상간 이송의 발생 조건을 예측할 수 있는 모델을 개발하는 것.
• 지속적인 전이 함수를 통해 이 모델을 IATE 프레임워크에 통합하여 유형 전이 영역 전체에서 정확한 예측이 가능하도록 하는 것.

제안 방법

• 압축되지 않은 조건에서 12.7 mm 수직 공기-물 파이프에서 4센서 전도도 프로브를 사용하여 실험 데이터를 확보하였다.
• 핵심 이상류 파rameter인 비율, 계면면적 농도(IAC), 기포 속도, 소우터 평균 지름(Dsm)을 분석하였다.
• 난류 유입 및 안정성 메커니즘에 기반한 모델을 활용하여 기포 크기(Dtr, Dre) 및 비율(αtr) 기반의 급격한 상간 이송의 임계 조건을 유도하였다.
• 비례 상수 a와 β를 포함한 시그모이드 형태의 전이 함수 T(Dsm, α)를 구성하여, 임계 조건을 충족할 경우 난류 유입 모델이 부드럽게 활성화되도록 하였다.
• 전이 함수를 IATE에 적용하기 위해 기포 응집 속도 항 WE11,2를 수정함으로써 일그룹에서 이중 그룹으로의 전이 영역에서 연속적인 예측이 가능하도록 하였다.
• 예측 정밀도 향상을 위해 12.7 mm, 25.4 mm, 50.8 mm 파이프의 확장된 데이터베이스를 활용하여 모델 계수를 업데이트 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 직경 파이프에서 기포류에서 슬러그 유형으로의 전이 과정에서 저속액체 유속 조건에서 급격한 상간 이송이 발생하는 원인은 무엇인가?
• RQ2 기포 크기와 비율은 소형 직경 유동에서 강화된 난류 유입의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 급격한 상간 이송 전이를 정의하는 임계 조건(Dtr, Dre, αtr)은 무엇인가?
• RQ4 비연속적인 유형 전이 가정에 의존하지 않고 IATE 모델을 어떻게 수정하여 이 현상을 예측할 수 있는가?
• RQ5 시그모이드 행동을 기반으로 한 연속적인 전이 함수는 소형 파이프에서 상간 이송의 발생 및 진행을 정확히 포괄할 수 있는가?

주요 결과

• 12.7 mm 파이프에서 저표면액체 유속(<jf>) 조건에서 기포 크기가 파이프 횡단면 대비 상대적으로 크기 때문에 급격한 상간 이송이 주로 발생한다.
• 이 현상은 강화된 난류 유입에 의해 유도되며, 작은 구형 기포가 더 큰 파이프에서의 캡 또는 슬러그 기포처럼 행동하여 빠른 응집을 촉진한다.
• 급격한 이송 발생에 대한 임계 조건으로 αtr ≈ 0.25, Dtr ≈ 4 mm, 그리고 레이놀즈 수 기반의 Dre를 규명하였으며, 소형 파이프에서는 Dtr가 지배적이다.
• 매개수 a = 0.01 및 β = 9×10⁻⁶를 가진 제안된 전이 함수 T(Dsm, α)는 12.7 mm, 25.4 mm, 50.8 mm 파이프 데이터 전체에서 급격한 이송 발생을 정확히 포착하였다.
• 전이 함수를 통합한 수정된 IATE 모델은 급격한 이송 사건 동안의 예측 성능을 향상시켰으며, 극단적이지 않은 영역에서도 정확도를 유지하였다.
• 계수 업데이트(CWE(22,2)를 0.15에서 0.4로, CSO(2,12)를 0.12에서 0.002로)를 통해 확장된 실험 데이터베이스에서의 모델 성능이 향상되었다.