[논문 리뷰] Direct Numerical Simulation of high Prandtl number fluids and supercritical carbon dioxide canonical flows using the spectral element method

Tri Q. Nguyen, Elia Merzari외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 13.

Heat transfer and supercritical fluids인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 스펙트럼 요소 직접 난류 시뮬레이션(DNS)을 Nek5000 및 NekRS를 통해 고 프란틀 수 유체와 혼합대류 하에서 초임계 이산화탄소(sCO2)의 열전달을 연구하기 위해 활용한다. 주요 발견은 상향 sCO2 유동에서 물성 변화와 함께 난류 운동 에너지(TKE) 감소로 인해 열전달 악화가 발생하는 반면, 하향 유동에서는 TKE 증가로 인해 열전달 향상이 관찰된다는 것이다. 이는 고성능 수치 데이터베이스를 제공하여 고급原子력reactor 설계를 위한 감소차수 모델 개선에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정확하고 저비용의 감소차수 모델 개발을 지원하기 위해 고 프란틀 수 유체와 초임계 이산화탄소(sCO2)의 열전달에 대한 고해상도 수치 데이터베이스를 생성하기 위해.
• 특히 혼합대류 조건에서 sCO2에 대한 신뢰할 수 있는 열전달 상관관계의 부족을 해결하기 위해.
• sCO2 유동에서 유체 물성 변화와 난류 역학 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 개선된 예측 능력을 확보하기 위해 기존의 열전달 상관관계를 DNS 데이터로 평가하고 보완하기 위해.

제안 방법

• 비압축성 유동의 고정밀 직접 난류 시뮬레이션(DNS)을 위해 Nek5000 및 NekRS 솔버를 활용한 스펙트럼 요소 방법을 적용한다.
• 압력 손실이 미미한 연구 대상 구성에서 유효하므로 열역학적 압력과 동역학적 압력을 분리하기 위해 저마하수 근사법을 적용한다.
• 다양한 온도 및 압력 영역에서 초임계 이산화탄소의 열물성 특성을 정확하게 계산하기 위해 다구역 다항식 모델을 활용한다.
• 두 가지 표준 유동을 시뮬레이션한다: 고 프란틀 수 유체의 난류 가열 평행판 사이 혼합대류 유동과 sCO2의 직선 가열 관 내 유동.
• 유동 불안정성과 열전달 성능 간의 연관성을 파악하기 위해 난류 운동 에너지(TKE)의 변화를 추적한다.
• 미래 원자력 에너지 응용 분야에서의 산업적 관련성을 확보하기 위해 미국 에너지부(DoE) 열유체 응용을 위한 핵심센터 프로그램의 다스케일 프레임워크와 일치시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초임계 이산화탄소의 물성 변화가 혼합대류 유동에서 열전달 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 난류 운동 에너지(TKE)가 sCO2 유동에서 열전달 악화 또는 향상에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ3 유동 방향(상향 대비 하향)이 sCO2에서 부력, 난류 및 열전달 간의 상호작용에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 기존의 열전달 상관관계가 고프란틀 수 및 초임계 영역에서 sCO2 거동을 얼마나 잘못 예측하는가?
• RQ5 DNS를 통해 생성된 데이터를 활용하여 고급 원자로 시스템을 위한 개선된 감소차수 열전달 모델을 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 상향 sCO2 유동에서의 열전달 악화는 유체 물성의 급격한 변화와 함께 난류 운동 에너지(TKE) 감소와 강하게 연관되어 있다.
• 하향 sCO2 유동에서는 TKE 증가로 인해 열전달 향상이 관찰되어 더 강한 난류 혼합이 일어나고 있음을 시사한다.
• DNS 결과는 부력 효과가 하향 유동에서 더 두드러지게 나타나 난류를 촉진하고 열성능을 향상시킨다는 것을 드러냈다.
• 이 연구는 특히 혼합대류 및 고프란틀 수 조건에서 sCO2에 대한 기존 열전달 상관관계의 한계를 규명하였다.
• 생성된 고해상도 데이터베이스는 고급 원자로 설계를 위한 정확하고 빠른 실행이 가능한 감소차수 모델 개발의 기초를 제공한다.
• 스펙트럼 요소 방법은 sCO2 및 고프란틀 수 유체에서의 복잡한 열유체역학을 고공간 및 고시간 해상도로 성공적으로 캡처하였다.