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TWO-PHASE FLOW AND THERMAL MANAGEMENT LABORATORY

Research


[
연구 배경]
마크로 채널 대비 미니/마이크로 채널(~1000um)은 높은 열전달성능을 가지고, 열시스템의 경량화, 소형화를 달성할 수 있는 장점이 있다. 유동 비등 열전달은 현열(sensible heat) 및 잠열(latent heat)이 동시에 이용되어 높은 열전달 계수를 가지며, 적용 시스템이 낮은 온도 구배를 가지는 장점이 있다. 마이크로 채널 유동 비등 냉각 기술은 두가지의 장점을 결합하여, 열전달 성능을 극대화 하는 아이디어로 개발되었다. 주로 병렬 채널을 가지는 히트 싱크 형태로, 고열유속 조건을 가지는 고발열 전자장비의 냉각에 연구 및 적용되어왔다. 유동 비등은 언급한 열전달 측면의 장점을 가지지만, 특별한 현상이 발생하여 예측할 수 없는 냉각 성능을 나타내기도 한다. 여기에는 주기유동, 임계열유속(Critical heat flux, CHF), Dryout, 높은 압력 강하 및 질식 유동(Choked flow)이 포함된다. 이상 유동의 불확실성을 줄이고 안정적이고 효율적인 시스템 개발에 이용하기 위하여, 새롭게 개발되는 실험 기법을 활용하여 이러한 복잡한 현상들에 대한 좀더 깊은 이해를 할 필요가 있다.


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연구 목표]
이미 많은 연구가 진행되었음에도, 언급된 마이크로 채널 유동 비등의 복잡한 현상은 유체 종류, 채널 구조, 작동 조건 및 유동 조건에 따라 다르게 나타난다. 이러한 특성들을 하나의 일반화된 메커니즘으로 설명하고, 예측 도구를 개발하는데 필요한 기초 이론을 정립한다. 최종적으로 새로운 냉각 방식 개발 및 기존 이상 유동 시스템의 문제를 해결하는데 사용하는 것을 목표로 한다.


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연구내용]

1. 현상 모사 실험장치 제작 및 테스트 결과 분석
2. 유동 가시화 결과를 이용한 새로운 유동 지도(Flow regime map) 및 Mechanistic model 개발
3. CFD 시뮬레이션을 이용한 유동 특성 분석


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관련 토픽]

1. 유동불안정성에 의한 열전달 특성 변화 연구
2. 마이크로 채널내 환형류의 수력학적 및 열전달 특성 예측 모델링
3. 이상 유동의 2D CFD 모델링


[Research Background
]
Compared to macro-channels, mini/micro-channels(~1000um) offer higher heat transfer performance and advantages in achieving lightweight and compact thermal systems. Flow boiling heat transfer utilizes both sensible heat and latent heat, resulting in a high heat transfer coefficient and allowing the applied system to maintain a low temperature gradient. Micro-channel flow boiling cooling technology was developed to combine these two advantages, maximizing heat transfer performance. This technology has primarily been studied and applied in the form of heat sinks with parallel channels for cooling high-heat-flux electronic equipment. Although flow boiling offers the mentioned advantages in heat transfer, it can exhibit unpredictable cooling performance due to special phenomena. These include periodic flow, critical heat flux(CHF), dryout, high-pressure drop, and choked flow. To reduct the uncertainties of two-phase flow and develop stable and efficient systems, it is necessary to gain a deeper understanding of these complex phenomena using newly developed experimental techniques.


[Research Objectives
]
Despite significant research, the complex phenomena of micro-channel flow boiling vary with fluid type, channel strucutre, operating conditions, and flow conditions. This research aims to establish fundamental theories to explain these characteristics with a generalized mechanism and develop predictive tools. Ultimately, the goal is to develop new cooling methods and address issues in existing two-phase flow systems.


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Research Content]

1. Fabrication of phenomenon simulation experiemental apparatus and analysis of test results
2. Development of new flow regime maps and mechnistic models using flow visualization results
3. Analysis of flow characteristics using CFD simulations


[Related Topics
]

1. Study on the change in heat transfer characteristics dut to flow instability
2. Predictive modeling of the hydrodynamic and heat transfer characteristics of annular flow in micro-channels
3. 2D CFD modeling of two-phase flow


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연구 배경]
단상 유동 시스템과 달리 이상 유동 시스템은 상변화과정에서 발생하는 급격한 유체의 부피 및 압력 변화에 의해 과도적인 유동 특성을 나타내는데, 이를 이상 유동 불안정성이라고 한다. 이로 인하여 유량은 급격하게 변화하고, 작동 조건에 맞는 적절한 열전달을 수행할 수 없게 되어 시스템의 내구성 및 열손상 문제를 일으킨다. 불안정성의 종류는 유량이 원상태로 돌아오는지 여부에 따라 동적불안정과 정적불안정현상으로 나뉘어지며, 발생하는 위치 및 형태에 따라 Parallel Channel Instability(PCI), Density Wave Oscillation(DWO), Charge Transition Instability(CTI), Pressure Drop Oscillation(PDO), Flow maldistribution Ledinegg Instability(LED) 으로 나뉘어진다. 마크로 및 마이크로채널 시스템에서 발생하는 불안정성 메커니즘을 규명하여, 이상 유동 열관리 시스템의 설계에 반영하는 것을 최종 목표로 한다.


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연구 목표]
마이크로 채널의 유동불안정성은 마크로 채널과 다른 특성을 가지는데, 여기에는 유동 역류로 인한 채널간 상호작용이 포함된다. 마이크로 채널시스템만이 가지는 복잡한 불안정성의 특성을 규명하는 것을 목표로 한다. 마크로/마이크로 채널에서 공동으로 발생하는 새로운 형태의 유동 불안정 현상도 연구하며, 여기에는 PDO CTI와 같은 루프 스케일의 유동 불안정 현상이 포함된다.


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연구내용]

1. 실험: 유동 불안정성이 발생하는 메커니즘을 실험 데이터 및 유동가시화 정보를 이용하여 분석.
2. 모델링: 유동 불안정성을 일으키는 메커니즘에 대한 가정과 Conservation principles 를 이용한 모델링.
3. 응용: 실제 냉각 시스템의 설계에 적용.

[관련 토픽]

1. PCI, DWO: 채널 내부의 상변화와 급격한 부피증가에 의해 발생하는 동적 유동 불안정성 메커니즘 규명 및 이론 모델링.
2. CTI, PDO: 유체 종류, 시스템 구성 및 구조에 따라 발생하는, 루프(시스템)스케일 유동 불안정성 메커니즘 규명 및 모델링
3. Flow maldistribution, LED: 마이크로 채널 병렬시스템에서 발생하는 유동 불균일 분배의 원인 규명 및 분배 Network 모델링.


[Research Background
]
Unlike single-phase flow systems, two-phase flow systems exhibit transient flow characteristics dut to the rapid changes in fluid volume and pressure during the phase change process, known as two-phase flow instability. This cuases the flow rate to fluctuate sharply, preventing proper heat transfer under the operating conditions, which can lead to issues with system durability and thermal damage. Instabilities are categorized into dynamic and static instabilities based on whether the flow rate returns to its orginal state. Depending on the xss-location.and form, these include Parallel Channel Instability(PCI), Density Wave Oscillation(DWO), Charge Transition Instability(CTI), Pressure Drop Oscillation(PDO), flow maldistribution, and Ledinegg Instability(LED). The ultimate goal is to identify the mechanisms of instability in macro and micro-channel systems and incorporate these findings into the design of two-phase flow thermal management systems.


[Research Objectives
] Flow instability in micro-channels exhibits different characteristics compared to macro-channels, including interactions between channels due to flow reversal. The xss-objective is to elucidate the complex instability characteristics unique to micro-channel systems. The research also aims to study new forms of flow instability that occur in both macro and micro-channels, including loop-scale flow instabilities such as PDO and CTI.


[Research Content
]

1. Experiments: Analyze the mechanisms causing flow instability using experimental data and flow visualization information.
2. Modeling: Develop models based on assumptions and conservation principles to explain the mechanisms of flow instability.
3. Applications: Apply the findings to the design of actual cooling systems.


[Related Topics]

1. PCI, DWO: Investigate and theoretically model the dynamic flow instability mechanisms caused by phase change and rapid volume expansion within the channels.
2. CTI, PDO: Identify and model the loop-scale flow instability mechanisms, which vary with fluid type, system configuration, and structure.
3. Flow maldistribution, LED: Determine the causes of flow maldistribution in parallel micro-channel systems and model the distribution network.

[연구 배경] 화석 에너지에서 신재생 전기 에너지로 패러다임 전환과 함께, 산업전반에서 기술전동화가 예상된다. 증가하는 전력 수요와 함께 송전과정에서 발생하는 열손실도 함께 증가할 것으로 예상된다. 이러한 Joule 발열은 전력 손실 뿐만 아니라 시스템 내구도 및 열파괴 위험도를 증가시킨다. 대표적으로 전기 송전선, 전동차 그리드 및 전기차 충전케이블등에서 이러한 문제가 발생가능하다. 단상 액체 능동냉각기술을 적용하여, 언급된 고전력 전송분야에서 발생하는 열 문제를 해결하려는 노력이 있었다. 하지만, 단상 냉각 방식의 경우 축방향으로 열구배가 존재하여 길이가 길어지는 시스템에서 큰 단점이 있었다. 이를 해결하기 위하여, 이상 유동의 높은 열전달 계수를 유지하면서도 낮은 압력강하 특성을 보이는 과냉각 비등유동영역을 환형관 형태의 케이블 냉각에 적용하려는 시도를 하고 있다.


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연구 목표]

- 환형관내 과냉각 비등유동의 축방향 열전달 특성 규명: 길이방향으로 과냉각 비등유동의 Regime 변화에 의한 열전달 특성 분석
- 환형관내 과냉각 비등유동의 원주방향 열전달 특성 규명: 부력에 의한 불균일한 증기 배치 및 아래윗면 열전달 특성 변화를 버블경계(Bubble Boundary Layer)발달 효과를 이용하여 설명
- 환형관내 과냉각 비등유동 방향에 따른 특성 변화 규명: 수직/수평방향에 따라 달라지는 중력 효과를 분석
- CHF 발생 예측: 환형관 윗면에서 증기막형성에 의한 DNB(Deviation from Nucleate Boiling) 형태의 임계열 유속 발생 메커니즘 분석 및 모델링
- 여러가지 파라미터의 영향을 체계적으로 분석하여 설계가이드라인 제시: 환형관의 곡률반경, 길이, 직경같은 파라미터의 영향을 체계적으로 분석


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연구내용]

1. 실험: 환형관 실험 모듈과 고속카메라 유동가시화를 이용하여 환형관내 과냉각 비등유동 특성 분석
2. 모델링: 임계열유속 발생 메커니즘, 원주방향 버블경계층 형성모델링, 유동 및 열전달 영역(Regime) 변이 예측 모델링
3. 응용: 여러가지 환형관 형태의 고발열 케이블 냉각을 위한 설계가이드라인 제시.
4. CFD: 시뮬레이션을 이용한 환형관내 이상유동의 거동 및 열전달 특성 분석.

[관련 토픽]

1. 전기자동차 초급속 충전케이블 냉각 기술
2. 환형관내 유동 비등의 열전달촉진을 위한 표면강화형상에 대한 연구
3. 저온 유체를 이용한 초전도케이블 냉각 기술 연구


[Research Background
]
With the paradigm shift from fossil energy to renewable electric energy, the electrification of technology across various industries is anticipated. As power demand increases, so will the heat loss durgin power transmission. This Joule heating not only leads to power loss but also increases the risk of system durability issues and thermal failure. Such problem can occur in high-power transmission lines, electric vehicle girds, and electric vehicle charging cables. Efforts have been made to address the thermal issues in these high-power transmission areas by applying single-phase liquid active cooling technology. However, single-phase cooling methods present a significant drawback in long systems due to the axial temperature gradient. To address this, attempts are being made to apply the subcooled boiling flow regime with its high heat transfer coefficient and low-pressure drop characteristics to annular tube-shaped cable cooling.


[Research Objectives
]

- Identify the Axial Heat Transfer Characteristics of Subcooled Flow Boiling in Annular Tubes: Analyze the heat transfer characteristics due to regime changes in subcooled flow boiling along the length.
- Identify the Circumferential Heat Transfer Characteristics of Subcooled Flow Boiling in Annular Tubes: Explain the changes in heat transfer characteristics at the top and bottom surfaces due to buoyancy-induced uneven vapor distribution using the bubble boundary layer development effect.
- Identify the Directional Characteristics of Subcooled Flow Boiling in Annular Tubes: Analyze the effects of gravity in vertical and horizontal directions.
- Predict CHF Occurrence: Analyze the model the mechanism of critical heat flux occurrence in the form of DNB(Deviation from Nucleate Boiling) due to vapor film formation on the upper surface of the annular tube.
- Systematically Analyze the Influence of Various Parameters to Provide Design Guidelines: Systematically analyze the influence of parameters such as the curvature radius, length, and diameter of the annular tube.


[
Research Content]

1. Experiments: Analyze the characteristics of subcooled flow boiling in annular tubes using annular tube experimental modules and high-speed camera flow visualization.
2. Modeling: Model the mechanisms of critical heat flux occurrence, circumferential bubble boundary layer formation, and predict flow and heat transfer regime transitions.
3. Applications: Provide design guidelines for cooling high-heat-flux cables with various annular tube shapes.
4. CFD: Analyze the behavior and heat transfer characteristics of two-phase flow in annular tubes using simulations.

[Related Topics]

1. Cooling technology for ultra-fast charging cables in electric vehicles.
2. Research on surface enhancement shapes to promote heat transfer in flow boiling within annular tubes.
3. Cooling technology for superconducting cables using cryogenic fluids.
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