[논문 리뷰] CFD Simulation of X-Ads Downcomer Thermal Stratification

V. Anissimov, A. Alemberti|ArXiv.org|2006. 01. 04.

Molten salt chemistry and electrochemical processes참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 CFX 4.4를 사용한 CFD 시뮬레이션을 통해 에너지 증폭기 실험 시설의 X-Ads 다운컴어 채널 내 열층상태를 분석하며, 중간 열교환기(IHX)와 비스패스 경로 사이의 유동 역학에 초점을 맞춘다. 주요 발견은 부력에 의해 유도되는 유량 불균형이 심각한 열층상을 유발하며, 최악의 경우 핵심 입구 부근에서 고속비스패스 조건에서 유입되는 혼합 유량으로 인해 강한 온도 기울기가 발생한다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• IHX와 비스패스 경로 사이의 유량 분할로 인한 X-Ads 다운컴어 내 열층상 분석
• 다양한 비스패스 유량이 열부하 분포 및 층상 강도에 미치는 영향 평가
• 구조적 열응력 측면에서 가장 악성인 열층상 시나리오 규명
• 부력력과 IHX 압력 손실이 다운컴어 내 유량 분할에 미치는 영향 평가

제안 방법

• X-Ads 다운컴어 기하구조에서 정 steady-state 유동 분석을 위한 CFX 4.4를 사용한 수치 시뮬레이션
• IHX 및 비스패스 채널 간의 부력에 의해 유도되는 분리 유동을 고려한 Pb-Bi 공용액 냉각제의 모델링
• 속도 및 온도 장을 해소하기 위해 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식 적용
• IHX 출구에서의 유동 혼합을 시뮬레이션하여 열층상 발생 과정 평가
• 세부 분석을 위해 단일 최악의 유동 조건을 사용하며, 맥락 제공을 위해 보조 결과 참조
• 혼합 영역에서의 유량 균형 및 온도 기울기 평가를 통해 결과 검증

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IHX 및 비스패스 채널 간의 유량 분할이 다운컴어 내 열층상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 최악의 유동 조건에서 열층상에 의해 유도되는 최대 온도 기울기는 얼마인가?
• RQ3 부력력과 IHX 압력 손실이 상호작용하여 비스패스 유량 비율을 어떻게 결정하는가?
• RQ4 열층상은 다운컴어 구조물의 열부하에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 핵심 입구에서 IHX 및 비스패스 유동이 혼합될 경우 열균일성은 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 최악의 시뮬레이션에서 다운컴어 횡단면을 가로질러 약 20 K의 최대 온도 차이를 보이는 강한 열층상이 확인되었다.
• 열층상은 핵심 입구 부근에서 가장 심각했으며, 뜨거운 비스패스 유동과 냉각된 IHX 유동의 완전한 혼합이 이루어지지 않아 발생했다.
• 비스패스 유량 비율은 부력력과 IHX 압력 손실 간의 균형에 의해 크게 영향을 받았다.
• 시뮬레이션 결과, 비스패스 유량이 최대가 되는 조건에서 열층상이 가장 심각함을 확인하였으며, 이는 저항 감소로 인한 것이다.
• 결과는 가장 급격한 반경 방향 온도 기울기가 있는 영역에서 구조적 열응력이 가장 높다는 것을 시사한다.