마이크로 분지형 T-분기관에서의 2상 플러그류의 분배

Abstract

본 연구에서는, 마이크로 크기의 분지형 T-분기관에서의 2상 플러그류의 순간적인 거동이 수치적으로 모사하였으며, 이를 실험적으로 검증하였다. 기포(공기)와 액체 슬러그(물)로 구성된 플러그류가 입구관(상류)에 규칙적으로 주입되면, 그 유동은 하류의 출구관(입구관과 같은 방향)과 분지관(입구관에 수직한 방향)으로 분배된다. 이때, 본 연구는 기포의 분배율에 대한 입구관과 분지관의 유량 및 기포의 길이(크기)의 영향을 조사하였다. 분배 시험은 600 × 600 μm2의 정사각 단면을 갖는 수평 T-분기관에 대해 수행되었으며, 입구관에서의 총 겉보기 속도와 기포의 크기 및 분지관으로의 유량비는 각각 0.2 ？ 1.0 m/s, 0.115 ？ 1.66 mm3 (기포 길이로는 0.58 ？ 5.6 mm) 및 0 ？ 1로 변화시켰다. 그 결과, non-breakup/run-flow (NB/R) 모드, non-breakup/branch-flow (NB/B) 모드, breakup (B) 모드와 같은 서로 다른 세 개의 분배 모드를 확인하였으며, 분지관으로의 유량비가 증가함에 따라 분배 모드가 NB/R 모드에서 B 모드, NB/B모드의 순서로 발생함을 확인하였다. 또한, 기포 길이와 입구관의 총 겉보기 속도가 특정 조건보다 작은 경우에는 B 모드가 발생하지 않았다. 한편, T-분기관에서의 기포의 분배율을 예측하기 위해, 기포의 순간적인 거동과 출구관 및 분지관으로의 순간적인 기체 유량을 자세하게 관찰하였다. 기포의 선단부와 후단부가 T-분기 지역을 통과할 때에는 기체가 불균등 분배를 보이는 반면, 기포의 본체가 통과할 때에는 균등 분배가 발생하였다. 따라서 전체 기포의 불균등 분배의 정도는 선단부와 후단부의 거동에 지배됨을 확인하였다. 또한 분지관으로의 유량비와 입구관의 총 겉보기 속도가 증가할수록 불균등 분배의 정도는 증가하였다. 그리고 기포의 길이가 짧아질수록 전체 기포에 대한 선단부와 후단부의 부피 비가 증가하기 때문에 불균등 분배의 정도는 더 증가하였다. 최종적으로 분지관으로 분배되는 기포의 분배율을 예측할 수 있는 새로운 모델을 제안하였으며, 이는 검증 실험 결과와 잘 일치하였다.