מבוא ל-CFD בהנדסה גרעינית

כור גרעיני פועל על ידי רתום החום שנוצר מתגובה מבוקרת של סדקים דלק המכילים את הדלק הגרעיני הם מקורות החום העיקריים, ואת היעילות והבטיחות של הכור כולו תלוי להסיר את החום הזה באופן אמין תוך שמירה על טמפרטורות דלק בתוך גבולות בטוחים. Computational Fluid Dynamics (CFD) הפך כלי חיוני עבור מהנדסים גרעיניים למודל זה תרמי-hydrlic מורכבים עם תהליכים גבוהים.

CFD מאפשר ניתוח מפורט של תופעות העברת חום שקשה או בלתי אפשרי למדוד באופן ניסיוני, במיוחד בתנאים קיצוניים.במוט דלק גרעיני, חום מתבצע דרך סוללת הדלק, על פני הפער (אם זה קיים), דרך הקלדה, ולבסוף לתוך הזרם הקריר. Conjugate חום - השילוב של התנהגות מוצקה ונפיחות נוזלים - ושילוב סוער בדגימה של מודלים מורכבים אלה, דורש שילוב של שפעת, שימוש נרחב, שימוש בדגמי שפעת, שימוש נרחב, עם מודלים של שפעת, שימוש נרחב, מודל אחד, שימוש.

תעשיית הגרעין מסתמכת יותר ויותר על CFD עבור אופטימיזציה עיצובית, ניתוח בטיחות ותמיכה רישוי.לדוגמה, סימולציות נאמנות גבוהה עוזר לחזות גלי חום קריטיים גליקס, יציאה מטמפרטורות ארוכות טווח ודלק - כל הפרמטרים העיקריים עבור שולי בטיחות כור.

שימוש ב-Equations for Heat Transfer and Fluid Flow

כל סימולציה CFD בנויה על חוקי השימור של מסה, מומנטום ואנרגיה.עבור ניתוח מוט דלק גרעיני, המשוואות השולטות חייבות לקחת בחשבון את ההשפעות דחיסות (לעיתים קרובות בלתי ניתנות לזרימות נוזליות מהירות נמוכה), תכונות תלויות טמפרטורה, ואולי גם זרימה מונעת של buoyancy.

  • משוואה:0 (Continuityמשוואה: FLT:1) מבטיחה שימור המוני בתחום הקריר.
  • (ב) משוואות:0 Navier-Stokes:cioFLT:1 , כולל לחץ מולקווס ושדים סוערים.
  • משוואה:0 (Energy משוואה: FLT:1 מודלים חום העברה בשני אזורים נוזליים ו מוצק, כולל דור חום נפח בדלק.

ב- ANSYS Fluent, משוואות אלה אינן מוזנחות באמצעות שיטת נפח סופית.מהנדסים חייבים לבחור מודלים של זעזועים מתאימים ותכניות פתרון כדי לאזן דיוק ועלויות חישוביות. עבור יישומים גרעיניים, ה-FLT:0 ריאליים k-realizable k-Virtualizable k-RLT 1 מודל או FLT:2 Shear Stress Transport (SST) k-LTF:3 הוא בדרך כלל יקר ללכידת שיטות מתקדמות יותר מדי (לעיתים קרובות) אך ורק עבור מחקר מתקדם יותר מדי).

היבט חשוב הוא מודלים של הדור החום בתוך סוללת הדלק.החלוקה של כוח הפשפשים היא לעתים קרובות לא חד-מינית ורדיונית. ANSYS Fluent מאפשר למשתמש להגדיר מקור חום רב כפונקציה של מיקום או באמצעות פונקציה מוגדרת למשתמש (UDF). עבור סימולציות קבועות של מדינות, קצב חום קבוע הוא טיפוסי, אך סימולציות טראנסיות (למשל, אובדן זמן עצמאי).

קביעת הסימולציה ב- ANSYS Fluent

גאומטריה ודור מרש

הצעד הראשון הוא יצירת דומיין חישובי הכולל את מוט הדלק (סולם) ואת הערוץ הקרר שמסביב (השפעה) בניתוחים מעשיים ביותר, סימטריה מנוצלת כדי להפחית את גודל המודל.לדוגמה, מוט דלק יחיד בכיכר או hexagonal lattice הוא מודל באמצעות תנאים תקופתיים כדי לייצג את ההרכבה המלאה.

  • ה-דלק (cylindrical, אולי עם חור מרכזי עבור עיצובים מסוימים).
  • הפער המלא בגז בין סוללת לבין קלדינג (לעיתים מודל לממשק דק עם התנגדות תרמית מוגדרת).
  • חיפוי המתכת (למשל, Zircaloy-4 או M5®).
  • התחום הנוזלי הקרר (מים, נתרן נוזלי, או הליום תלוי בסוג כור).

Meshing הוא קריטי עבור תחזיות העברת חום מדויקות. a hexahedral mesh הוא מועדף עבור cylindrical Geometries כי זה מתאים לכיוון זרימה ולהפחית את diffusion מספרית. ANSYS Meshing או ICEM CFD יכול ליצור meshes כזה עם שכבת גבול ליד הקיר העדין כדי ללכוד את הטמפרטורות התלות במרחק של 1Cide הוא חייב להיות מתאים ליקר (ב) הוא בטוח עבור טמפרטורת חום.

תכונות חומריות ותנאים קשים

תכונות חומריות מדויקות הן חיוניות לתוצאות מציאותיות.במכרסמים של דלק גרעיני, מוליכות תרמית, צפיפות, חום ספציפי של הדלק (uranium דו חמצני או MOX) להשתנות מאוד עם טמפרטורה ושרוף. ANSYS Fluent מאפשר תכונות תלויות טמפרטורה להיות מוגדר באמצעות התאמת פולינומי או פונקציות לינאריות שונות.

תנאי גבול טיפוסי כוללים:

  • (ב) ויקרא: ויקרא י"א): "וְהִיאוּבְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתוּ" (בראשית כ"ד).
  • (ב) ⁇ :0Outlet: Figout: 1) לחץ על מערכת ההפעלה או המערכת בחזרה לחץ.
  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא י"א: "ה' א'"א: "ה' י"א" (בראשית כ"ד, כ"ד).
  • מקור:0 (ב) ,9) ,5 ,5 , כרך 1 (ב) , כרך 1 (ב) ,

עבור סימולציות טרנסיות, תנאים ראשוניים חייבים להיות מוגדרים (למשל, שדה טמפרטורה אחיד או פתרון מצב יציב קבוע) פונקציות מוגדרות למשתמש (UDFs) ניתן לכתוב ב C כדי ליישם תנאים של גבולות מותאמים אישית, כגון קוגניציה של העברת חום תלויות במשטרי זרימה או פרופילי חשמל אקסיליים.

מודלים לפיזיקה והגדרות Solver

ASYSent Fluent מציעה מגוון רחב של מודלים פיזיים. עבור קירור חד-פעמי (בעיקר PWR ו BWR פעולה נורמלית), הברירות הבאות הן אופייניות:

  • (ב) משוואה:0) משוואה: 1FLT 1: 1 אכיל, עם חימום מולקולוס לעתים קרובות רשלנות.
  • מודל (FLT:0) של מודל של קוצר רוח: 1FLT:1 SST k- ⁇ עבור ביצועים טובים ליד הקיר או k-ε סטנדרטי עם טיפול בקיר משופר.
  • (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) ,(ב) ,התמדה אם מחזור טבעי חשוב; השתמש ב-Bosinesq approximation עבור שינויים בצפיפות בינונית.

עבור המפת, האלגוריתם מבוסס הלחץ הוא מומלץ עבור זרימת מצב יציב כי זה מאיץ התכנסות. תוכנית שנייה של upwind עבור מומנטום ואנרגיה מספק דיוק מספיק.תחת-relaxation גורמים עשויים צריך התאמה להתכנסות יציבה, במיוחד עם חזק דור חום ותכונות עצמאיות טמפרטורה. הפתרון נחשב מתכנס כאשר שאריות מתחת 10-5 עבור המשכיות ו 10 - 10 -6 עבור אנרגיה, עם כמויות קבועות.

העברה של חום בדלק רודס

העברה חום (CHT) מתייחסת להפיכה של התנהגות חום ב מוצקות עם הדבקה בנוזל הסמוך.במכרות דלק גרעיני, CHT הוא חיוני כי הקלדה היא מוצקה שמפרידה את הדלק מן הקריר. ANSYS מופעלת על ידי פתרון משוואה האנרגיה בשני אזורי מוצק ונוזל בו זמנית, עם התנאים המבטיחים באופן אוטומטי של רצף חום ושפעת.

ישנן שתי גישות ל- CHT ב- Fluent:

  • (FLT:0) מברשות לא פורמליות: ⁇ 1:1) המברשות המוצקות והנוזליות הן עצמאיות ומותאמות לממשק באמצעות תנאי גבול ממשק מרש.זה מאפשר ניתנות שונות בכל אזור.
  • (ב) [15] ,0) , מדרש: 1 (ב) אותו עגל מכסה הן מוצק והן נוזל, עם אזורי תאים שהוקצו חומרים שונים.זה מבטל שגיאות של זיהום, אך עשוי להיות קשה יותר לייצר עבור גיאוגרפיות מורכבות.

עבור מוטות דלק, נוכחות פער הגז מציגה התנגדות תרמית נוספת.לעתים קרובות הפער הוא מודל קיר דק עם התנגדות תרמית מוגדרת למשתמש (החזקה) המהווה התנהגות פער (תפקוד של נפיחות דלק, הרכב גז ולחץ מגע) מודלים מתוחכמת יותר משתמשים באזור מוצק נפרד עם חומר מוליכות נמוכה המייצג את תערובת גז הליום או נפיחות.

סימולציות CHT חושפות ⁇ טמפרטורה על פני ה- ⁇ t, קלפטה, לתוך הקריר.טמפרטורת מרכז הדלק המקסימלית היא פרמטר בטיחות קריטי כי חייב להישאר מתחת לנקודת ההיתוך (למשל, -2850 מעלות צלזיוס עבור UO2). גבוה נאמנות CHT עוזר לזהות כיצד שינויים בקצב זרימה קריר, רמת כוח, או עקיפה משפיעה על שולי זה.

המונחים: Turbulence Modeling

תחזית מדויקת של העברת חום מן הקלדה לקורן מסתמכת במידה רבה על זרימה סוערת מודל בזרימה תת-ערוצית. זעזוע קיר קרוב שולט במקדם העברת חום אחיד.הבחירה של מודל זעזוע יכול להוביל להבדלים משמעותיים בטמפרטורה הקירבה ובשפעת החום הצפויה.

(ב) עבור כורכומים מים, מספר ריינולדס בתת-ערוצים הוא בדרך כלל בטווח של 104 עד 105, המציין זרימה סוערת לחלוטין.מודל סטנדרטי של k- ε עם טיפול בקיר משופר הוא בחירה נפוצה כי הוא חזק ויעיל מבחינה חישובית.

חשוב לאמת את בחירת מודל ההפרעות נגד נתונים ניסיוניים (למשל, PWR תת-ערוצים ערבוב ניסויים או מזהמים של אספקת חום מוטה) מדריכים רבי-מעשים רבים מן ה-FLT:0U.S. REulatory CommissionFLT:1 מומלץ להשתמש במודל SST k- ⁇ עבור להקות מוטות CFD.

ניתוח תוצאות ואופטימיזציה של עיצוב

התפלגות טמפרטורה ו-Hotspot Identification

ברגע שהסימולציות של CFD מתאחדות, לאחר עיבוד מתחיל.כלי הדמיה של ANSYS Fluent להציג מזימות קונוס של טמפרטורה על משטחי מוט הדלק ונפח מגניב. Axial טמפרטורה פרופילים לאורך קו המילוט ומשטח חיצוני clading מופקים להעריך שולי בטיחות. Hotspots - אזורים עם מגבלות עיצוב עודף - יכול להיות מזוהה ומפת שלהם למיקומים ספציפיים (או אזורי זרימה).

לדוגמה, סימולציה עשויה להראות כי טמפרטורת פני השטח המחוספסת המקסימלית מתרחשת ליד החלק העליון של המוט עקב חימום קריר לאורך אורך. על ידי התאמת פרופיל הכוח האקסילי או הגדלת זרימת הקרירה, מהנדסים יכולים להפחית את הטמפרטורה.מחקרים רגישות S באמצעות מספר רב של CFD עוזר אופטימיזציה העיצוב.

Coolant Flow Patterns and Heat Removal Efficiency

וקטורות Velocity ו- Flowlines חושפים כיצד קירור מתפשט סביב מכרסמים הדלק.בחבילות, תערובת בין תת-ערוצים חשוב להסרת חום אחידה. CFD יכול לכמת את שערי התערובת ולזהה אזורים של חליפין קריר, כגון רשתות חלליות ליד או ב-Liatticess. מהנדסים יכולים לשנות את הרשת או להשתמש בתכונות של זרימה.

קוגניציה של העברת חום (HTCs) מחושבים מהסימולציה על ידי חלוקת נוזל חום הקיר על ידי ההבדל בין טמפרטורת הקיר לבין טמפרטורת נוזל רובה מקומית.זה HTCs לעומת התאמות (למשל, Dittus-Boelter, Gnielinski) כדי לאמת את המודל. Discrepancies עשוי להצביע על הצורך עבור מודל מעודן או מסובך טוב יותר.

סימולציות CFD transient, כגון נסיעה של משאבה או אובדן של תאונת זרימה, הם בעלי ערך במיוחד להערכת התגובה טמפרטורה תלויה בזמן של מוט הדלק.הפת המפת של ANSYS מאפשרת למהנדסים לראות כמה מהר הטמפרטורה המתבהבת עולה והאם גבולות הבטיחות נשברים לפני מערכות ההשבתה האוטומטיות פועלות.

היתרונות של שימוש ב-CDCD בעיצוב גרעיני

שילוב של CFD לתוך דלק גרעיני מוטה עיצוב מספק יתרונות מוחשיים מעבר קודים מערכת חד-ממדית מסורתיים (למשל, RELAP5, TRACE).

  • (FLT:0) High Space resolution:FLT:1 CFD מספק טמפרטורה תלת-ממדית שדות זרימה, לכידת אפקטים כמו חסמי זרימה או וריאציות טמפרטורה אנזימוטית שאבדו במודלים חד-פעמיים.
  • (FLT:0) הוצאות ניסיוניות: FLT:1reas רבים עיצוב ניתן לבדוק כמעט לפני בניית לעגים פיזיים או ביצוע ניסויים יקרים מחוץ ל-pile.
  • ניתוח בטיחותי: FLT:0) FLT:1 CFD מסייע להעריך תרחישים קשים או מסוכנים לשכפל באופן ניסיוני, כגון חסמי זרימה חלקית או אובדן של תאונות.
  • (FLT:0) אופטימיזציה של עיצוב:BuildFLT:1 Parametric מחקרים (הכוח, קצב זרימה, גיאומטריה) יכול להיות אוטומטי באמצעות ANSYS Workbench כדי למצוא תצורה אופטימלית הממקסמת את היעילות התרמית תוך שמירה על שולי בטיחות.
  • (ב) [13] רשם:0 (הרש"י): רשם (ב) ל"ה' (ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

אתגרים ופתרונות

למרות כוחו, CFD עבור מוטות דלק גרעיני מציג כמה אתגרים. עלות גבוהה של ההרחבה 1:1 נשאר גבוה עבור מודלים מלאים או אפילו מלא הערכה מלאה.

(FLT:0) אי הוודאות של רכוש אווירי (Material PropertyFLT:1) היא בעיה נוספת.דלק מוליכות תרמית מדביקות עם כוויות, וכי השפלה אינה תמיד מאופיינת היטב.מחקרים של רגישות באמצעות מגוון של תכונות יכולים להגביל את אי הוודאות.

(התוצאות של FLT:0)ValidationFLT:1 חיוני לאמינות.תוצאות CFD יש לבחון נגד נתונים ניסיוניים, כגון מתוך FLT:2 / EC /NEA מוטה חבילות העברת חום ניסויים FLT 3 ללא אימות, הסימולציה נותרה חיזוי לא מאומת.הפרקטיקה הטובה ביותר כוללת השוואת פרופילים, ירידה בלחץ, והעברות חום בתנאים מרובים הפעלה.

מגמות עתידיות ב-CFD להנדסת גרעין

תפקיד ה-CFD בניתוח מוטציה של דלק גרעיני מתרחב במהירות.שיטות נאמנות גבוהות כמו FLT:0Large Eddy Simulations () ⁇ FLT:1 הופכות להיות אפשריות עבור תחומים תת-ערוציים כמו כוח מחשוב גדל. les ללכוד מבנים טראנס-מסובכים עם דיוק גדול יותר, שיפור התחזיות של ערבוב ועלויות חום.

למידת מכונה גם נכנסת לתחום: רשתות עצביות המוכשרות על מסדי נתונים של CFD יכולות לשמש כפונדקאים מהירים לשליטה בזמן אמת או אי-ודאות קוונטית. ANSYS Fluent תומך כעת בשילוב עם כלים של אופטימיזציה של AI.בנוסף, הפיכה של CFD עם קודים (עבור ניתוח ערפילי-יתר-יתר-יתר-יתר-יתר-יתר-יתר-יתר-יתר-מילולי) הופכת נפוצה יותר לתגובת עבור דלק בין טמפרטורה לדלקתית.

פלטפורמות קוד פתוח כמו OpenFOAM צוברות מתח באקדמיה, אך ANSYS Fluent נשאר תקן התעשייה בשל אימות מקיף שלה, ממשק ידידותי למשתמש, ותמיכה חזקה עבור UDFs. כמו אנרגיה גרעינית ממשיכה לשחק תפקיד בדור כוח פחמן נמוך, הביקוש לניתוח מדויק, גבוה ברזולוציה גבוהה של ניתוח תרמי רק יגדל.

מסקנה

העברת חום בממכרי דלק גרעיניים באמצעות CFD ב- ANSYS פלונט היא משמעת בוגרת אך מתפתחת בלב הנדסה גרעינית מודרנית.היכולת לתכנן העברת חום, זעזועים וגיאומטריה מורכבת מספקת מהנדסים עם תובנות הדרושות לתכנון כורים גרעיניים בטוחים ויעילים יותר.על ידי ביצוע שיטות טובות ליצירת גאומטריה, הגדרה, אימות, אנליסטים יכולים לייצר חיזוי אמין של טכניקות חישוביות ואופטימיזציה של פיתוח אוויריות.

עבור מהנדסים חדשים בתחום זה, להשקיע זמן בהבנה של הפיזיקה הבסיסית והאימות נגד נתונים ניסיוניים הוא חיוני.עם יישום זהיר, שפעת ANSYS יכול לעזור להבטיח כי דלק גרעיני פועל בתוך גבולות תרמיים בטוחים, לתרום לכדאיות ארוכת טווח של כוח גרעיני כמקור אנרגיה נקי.