[論文レビュー] Direct Numerical Simulation of high Prandtl number fluids and supercritical carbon dioxide canonical flows using the spectral element method

Tri Q. Nguyen, Elia Merzari+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2022

Heat transfer and supercritical fluids被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、Nek5000およびNekRSを用いたスペクトル要素法直接時積分シミュレーション（DNS）を用い、混合対流下における高プラントル数流体および超臨界CO2（sCO2）の熱伝達を調査した。主な発見は、上向きsCO2流れでは物性の変化と乱流運動エネルギー（TKE）の低下に起因する熱伝達劣化が生じるのに対し、下向き流れではTKEの増加に起因する熱伝達の向上が観察された。本研究は、次世代原子炉設計における低次元モデルの向上に向けた高精度なデータベースを提供する。

ABSTRACT

The design of advanced nuclear reactors (Gen IV) involves an array of challenging fluid-flow issues that affect safety and performance. Currently, these problems are addressed in an ad-hoc manner at varying scales which are time-consuming and expensive. The creation of a high-resolution heat transfer numerical database has the potential to help develop to accurate and inexpensively reduced resolution heat transfer models. Such models can help address industrial-driven issues associated with the heat transfer behavior of advanced reactors. The models can be developed using the multiscale hierarchy developed as part of the recently DOE-funded center of excellence for thermal-fluids applications in nuclear energy. Ultimately this can lead to fast-running reliable models, thus accelerating the deployment of advanced reactors. In this paper, we performed a series of Direct Numerical Simulation using the spectral element codes Nek5000 and NekRS to investigate heat transfer in mixed convection conditions. First, we investigate the heat transfer of the flow in heated parallel plates for high Prandtl number fluids. The calculated database will eventually be used to evaluate existing heat transfer correlations and some modifications will be proposed for cases where no satisfactory choice is available. We have also investigated the heated transfer alteration phenomena in a straight heated tube for supercritical carbon dioxide (sCO2). The low-Mach-number approximation is used to decouple thermal and dynamic pressure, as pressure drop is negligible in this problem. The properties of sCO2 are calculated using multi-region polynomials. We observed that the heat transfer deterioration occurred in combination with the property changes of sCO2 and the depreciation of turbulence kinetic energy (TKE) for upward flow. Whereas, in downward flow, the heat transfer is enhanced thanks to the increase of TKE.

研究の動機と目的

• 高プラントル数流体および超臨界CO2（sCO2）の熱伝達に関する高分解能数値データベースを生成し、正確で低コストな低次元モデルの開発を支援すること。
• 特に混合対流下における原子炉条件でのsCO2に対する信頼性の高い熱伝達相関式の欠如に対処すること。
• sCO2流れにおける物性変化と乱流ダイナミクスの相乗作用を調査すること。
• 既存の熱伝達相関式をDNSデータを用いて評価・精緻化し、次世代炉応用における予測能力を向上させること。

提案手法

• 非圧縮性流れの高精度直接時積分シミュレーション（DNS）に、Nek5000およびNekRSソルバを用いたスペクトル要素法を適用する。
• 圧力損失が無視できるため、低マッハ数近似を用いて熱的圧力と動的圧力を分離する。
• 広範な温度および圧力範囲における超臨界CO2の物性を正確に計算するために、マルチリージョン多項式モデルを採用する。
• 2つの代表的流れをシミュレートする：加熱平行板間の混合対流（高プラントル数流体）および直管内加熱流れ（sCO2）。
• 流れの不安定性と熱伝達性能の関連を解明するために、乱流運動エネルギー（TKE）の時間発展を追跡する。
• 米国エネルギー省の原子力エネルギー分野における熱流体応用センター・オブ・エクセレンスと整合したマルチスケールフレームワークを採用し、産業的関連性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超臨界CO2における物性変化が混合対流下の熱伝達性能にどのように影響するか？
• RQ2 乱流運動エネルギー（TKE）は、sCO2流れにおける熱伝達劣化または向上にどのような役割を果たすか？
• RQ3 流れの方向（上向き対下向き）が、sCO2流れにおける浮力、乱流、熱伝達の相乗作用にどのように影響するか？
• RQ4 既存の熱伝達相関式が、高プラントル数および超臨界状態下でのsCO2の挙動をどれほど正しく予測できないか？
• RQ5 DNSで生成されたデータを用いて、次世代原子炉システム向けに改善された低次元熱伝達モデルを開発できるか？

主な発見

• 上向きsCO2流れにおける熱伝達劣化は、流体物性の顕著な変化と併せて乱流運動エネルギー（TKE）の著しい低下と強く相関している。
• 下向きsCO2流れでは、TKEの増加に起因する熱伝達の向上が観察され、より強い乱流混合が示唆される。
• DNS結果から、浮力効果は下向き流れで顕著に現れ、乱流を促進し、熱的性能を向上させると判明した。
• 本研究では、特に混合対流および高プラントル数条件下での既存のsCO2熱伝達相関式の限界が特定された。
• 生成された高分解能データベースは、次世代原子炉設計における正確で高速な低次元モデルの開発の基盤を提供する。
• スペクトル要素法は、sCO2および高プラントル数流体における複雑な熱流体ダイナミクスを、高空間・時間分解能で的確に捉えた。