Hydrodynamic Instabilities and Heat Transfer Behavior of Two-Phase Flow Boiling in Rectangular Microchannels and Concentric Annuli

Abstract

This dissertation presents a comprehensive investigation into the hydrodynamic and thermal characteristics of two-phase flow boiling in two distinct geometries: large length-to-diameter ratio microchannels and macro concentric annuli. The study addresses hydrodynamic aspects, including flow instabilities and pressure drop, as well as thermal aspects, including heat transfer mechanisms and critical heat flux (CHF). A mechanistic model based on R-134a flow boiling experiments was developed to analyze microscale instability phenomena in microchannel configurations. Experimental investigations using HFE-7100 in macro concentric annuli were conducted to evaluate thermal and hydrodynamic performance relevant to ultra-fast electric vehicle (EV) charging cable applications. Chapter 1 addresses the hydrodynamic behavior of flow boiling in a large length-to-diameter ratio microchannel heat sink. A mechanistic model was developed to predict the oscillation frequency of density wave oscillations (DWO), based on experimental measurements and flow visualization using R-134a. Each oscillation cycle was divided into flow surge and flow reversal periods at channel inlet. The model identifies key mechanisms such as liquid surge due to inlet-outlet pressure gradient buildup, bubble nucleation estimated through the onset of nucleate boiling (ONB) at the superheated wall, and backflow at channel inlet due to bubble expansion. A mass conservation condition ensures validity of modeling, and the generation and behavior of a high-density wave front (HDWF) is described in detail. The model predictions were in good agreement with experimental measurements, demonstrating its applicability to the prediction of microscale flow oscillation frequency. Chapter 2 investigates both hydrodynamic (pressure drop) and thermal (heat transfer) characteristics of subcooled flow boiling in a macro concentric annuli test section using HFE-7100. Flow regime transitions from partially developed boiling (PDB) to fully developed boiling (FDB) were observed along the axial direction, accompanied by changes in dominant heat transfer mechanisms. The elevated temperature at the top cable wall compared to the bottom was attributed to thermal non-equilibrium resulting from buoyancy-driven vapor accumulation. On the hydrodynamic side, pressure drop was found to be more sensitive to mass flux than to heat flux. This is attributed to dominant frictional resistance under high subcooling conditions, emphasizing the importance of flow rate control in system optimization. A comparative evaluation using empirical correlations further confirmed that subcooled flow boiling offers superior thermal performance over single-phase convection in EV charging cable thermal management, particularly in maintaining surface temperatures within safe limits during high-current charging conditions. Chapter 3 addresses the thermal characteristics of the same macro concentric annuli geometry, focusing on heat transfer and CHF behavior. The CHF was experimentally measured to be approximately 42 W/cm². As mass flux increased, CHF improved due to enhanced inertial forces that promoted vapor removal from the heated surface. Operating pressure also influenced the CHF: higher pressure reduced vapor generation due to increased subcooling and decreased surface superheat by elevating the saturation temperature. The onset of CHF was linked to vapor film propagation following departure from nucleate boiling (DNB), which was observed as upstream-moving wavy interfaces in high-speed visualization. Chapter 4 focuses on the hydrodynamic instability of subcooled boiling in the same macro concentric annuli geometry under thermal non-equilibrium conditions. Time-resolved data revealed that significant thermal non-equilibrium in the flow induced alternating local boiling and condensation, resulting in periodic fluctuations in flow rate, pressure, and wall temperature. These instabilities differ from classical DWO and are attributed to localized thermodynamic feedback intensified by geometric confinement. A flow instability map was developed using instability parameters and thermodynamic quality difference. More than 95% of observed instability cases were successfully predicted by the Saha-Zuber net vapor generation criterion. The results of this work provide insights for the stabilization and optimization of two-phase flow cooling thermal management systems in high-heat-flux EV charging cables.|본 논문은 사각 마이크로채널 및 매크로 동심 환형관 두 가지 형상에서 발생하는 이상 유동 비등의 열적, 수력학적 특성에 대한 포괄적인 연구를 제시한다. 유동 불안정성과 압력강하를 포함하는 수력학적 측면과, 열전달 메커니즘 및 임계 열유속(Critical Heat Flux, CHF)을 포함하는 열적 측면으로 나누어 분석하였다. 마이크로채널 형상에서는 R-134a를 이용한 유동 비등 실험을 기반으로, 유로 내 불안정 현상을 분석하기 위한 역학적 모델(mechanistic model)을 개발하였다. 동심환형 유로에서는 HFE-7100을 사용한 실험을 통해 초고속 전기차 충전 케이블 응용에 적합한 열적 및 수력학적 특성을 평가하였다. 1장은 길이 대비 직경비가 큰 마이크로채널 히트 싱크 내 유동 비등의 수력학적 거동을 다루며, R-134a를 이용한 실험 측정 및 유동 가시화 데이터를 바탕으로 밀도파 진동(Density Wave Oscillation, DWO)의 주기를 예측하는 모델을 제안하였다. 진동 주기는 채널 입구에서 유동 유입 구간과 역류 발생 구간으로 나누어 분석되었으며, 이 과정에서 입출구 간 압력구배 형성에 의한 액체 유입, 과열 벽면에서의 초기 기포핵 형성(ONB), 채널 입구 역류 등이 주요 메커니즘으로 고려되었다. 또한, 주기적 질량 보존 조건을 도입하여 모델의 타당성을 보장하였으며, 고밀도파면(HDWF)의 형성과 거동에 대해서도 상세히 기술하였다. 제안된 모델은 실험값과 잘 일치하며, 마이크로채널 내 비등 유동의 진동 주기 예측에 효과적으로 적용될 수 있음을 입증하였다. 2장은 HFE-7100을 사용한 대형 동심환형 유로에서의 과냉각(subcooled) 비등 유동에 대한 수력학적(압력강하) 및 열적(열전달계수) 특성을 분석하였다. 축 방향으로는 부분적으로 발달된 비등(PDB)에서 완전히 발달된 비등(FDB)으로의 유동 전이가 관찰되었고, 이에 따른 우세 열전달 메커니즘의 변화도 동반되었다. 부력에 의해 기포가 상부에 집중되면서 열적 비평형이 발생하였고, 이로 인해 상부 케이블 온도가 하부보다 높게 측정되었다. 수력학적 측면에서는, 과냉각이 큰 조건에서 마찰 저항이 지배적이었기 때문에, 압력강하는 열유속보다 질량유속 변화에 더욱 민감하게 반응하였다. 상관식을 통한 비교 분석 결과, 단상 대류 대비 과냉각 유동 비등이 EV 충전 케이블 열관리에서 우수한 성능을 보이는 것으로 확인되었으며, 특히 고전류 충전 조건에서도 케이블 표면 온도를 안전한 수준으로 유지할 수 있음을 보여주었다. 3장은 동일한 동심환형 유로 내에서의 열전달 및 CHF 특성을 중점적으로 다루었다. 실험 결과 CHF는 약 42 W/cm²로 측정되었으며, 질량유속 증가 시 관성력이 커져 발열면에서의 기포 제거가 활발해짐에 따라 CHF가 향상되었다. 작동 압력이 증가하면 포화온도가 상승함에 따라 과냉각이 증가 및 표면 과열 감소에 따른 기포 발생량 감소로 인해 CHF가 증가하였다. CHF의 발생은 핵비등 이탈(DNB)에 의해 유도된 증기막 전파 현상과 관련이 있으며, 고속 영상에서는 상류 방향으로 전파하는 물결(wave) 형태의 계면이 관측되었다. 4장은 동일한 동심환형 유로 내에서 열적 비평형 조건 하에 발생하는 과냉각 유동 비등의 유동 불안정성을 다루었다. 시분해 데이터를 통해 유동 내 큰 열적 불균일에 의해 국소적인 비등과 응축을 교대로 유발하며, 이로 인해 유량, 압력, 벽면 온도에 주기적 진동이 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 불안정성은 기존의 밀도파 진동과는 달리, 기하학적 구속에 의해 증폭된 국소 열역학 피드백에 기인한다. 유동 불안정성 맵은 불안정성 파라미터와 열역학적 건도 차이를 기반으로 작성되었고, Saha-Zuber 순증기발생 기준은 95% 이상의 불안정 현상을 성공적으로 예측하였다. 이 연구는 이상 유동 EV 충전 케이블 냉각 시스템의 안정화 및 성능 최적화를 위한 기초 자료를 제시한다.