[論文レビュー] CFD Simulation of X-Ads Downcomer Thermal Stratification

V. Anissimov, A. Alemberti|ArXiv.org|Jan 4, 2006

Molten salt chemistry and electrochemical processes参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、CFDシミュレーションを用い、Energy Amplifier Experimental FacilityのX-Adsダウンカムャー通道における熱層状態を、中間熱交換器（IHX）とバイパス経路の間の流れの動態に注目して調査した。主な発見は、浮力駆動の流れの不均衡が顕著な熱層状態を引き起こし、最悪ケースでは、高バイパス条件からの混合流が原因でコア入口付近に強い温度勾配が生じることである。

ABSTRACT

This work presents a numerical simulation using CFX 4.4 of the Energy Amplifier Experimental Facility (X-ADS) downcomer channel. The simulation is focused on the Steady-State Analysis. The Intermediate Heat exchangers (IHX) of the X-ADS reference configuration are immersed in the lead-bismuth eutectic of the downcomer. Due to the absence of a physical separation between the primary coolant hot and cold collectors, two different flow paths are available in the downcomer region: inside the IHX and outside it (IHX by-pass flow). The amount of IHX by-pass flow is determined by the balance between the driving force due to buoyancy (originated by the weight difference between the cooled fluid inside the IHX and the hot outside downcomer fluid) and the IHX pressure losses. At the IHX exit the two flow paths are mixed before the core inlet. This fact provides a potential for a downcomer thermal stratification, which is influenced by the actual value of coolant flow rate outside the IHX. The amount and extension of the thermal stratification phenomena is the object of this study. The simulation allowed studying the position and intensity of the thermal stratification phenomena. Several runs have been performed. However, to limit the extension of the paper, we deal with the results of only one of the calculations performed, which resulted in the worst condition from the point of view of thermal loads on the structure. Other results obtained will be shortly recalled when needed.

研究の動機と目的

• IHXとバイパス経路間の流れの分配がダウンカムャー内の熱層状態に与える影響を分析すること。
• バイパス流量の変動が熱負荷分布および層状態の強度に与える影響を評価すること。
• 構造的熱応力の観点から、最悪の熱層状態シナリオを特定すること。
• 浮力力とIHXの圧力損失がダウンカムャー内の流れ分配に与える影響を評価すること。

提案手法

• X-Adsダウンカムャーの幾何形状における定常状態の流れ解析を目的とした、CFX 4.4を用いた数値シミュレーション。
• リード・ビスマス共晶冷媒の流れをモデル化し、IHXとバイパス経路間の浮力駆動の流れ分離を再現。
• 速度場および温度場を解明するため、質量、運動量、エネルギーの保存方程式を適用。
• IHX出口での流れの混合をシミュレートし、熱層状態の発展を評価。
• 詳細な解析のための単一の最悪ケースの流れ条件を用い、文脈を補足するための補足結果も参照。
• 混合領域における流れバランスと温度勾配の評価を通じて、結果の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IHXとバイパス経路間の流れ分配がダウンカムャー内の熱層状態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 最悪の流れ条件下で熱層状態が引き起こす最大の温度勾配はどの程度か？
• RQ3 浮力力とIHXの圧力損失が、バイパス流量分率を決定づける相互作用はどのようなものか？
• RQ4 熱層状態がダウンカムャー構造への熱負荷に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 コア入口でのIHXとバイパスの流れの混合が、熱的均一性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 最悪ケースのシミュレーションでは、ダウンカムャー断面において約20 Kのピーク温度差を示す強い熱層状態が確認された。
• 熱層状態は、ホットなバイパス流と冷却されたIHX流の不完全な混合が原因で、コア入口付近で最も顕著であった。
• バイパス流量分率は、浮力力とIHX圧力損失のバランスに著しく影響を受けていた。
• シミュレーションにより、バイパス流量が最大となる条件で熱層状態が最も深刻であることが確認された。これは抵抗が減少するためである。
• 結果から、最も急な径方向温度勾配を示す領域で構造的熱応力が最大になることが示唆された。