بخشی از مقاله
شبیه سازی عددی انتقال حرارت و میدان جریان سه بعدی آشفته بر روی دسته میله های سوخت همراه با پره های
مخلوط کننده درون قلب یک راکتور آبی تحت فشار
چکیده
در این مطالعه اثر اسپیسر سوخت هسته ای و پره های مخلوط کننده آن بر روی توزیع خطوط جریان و انتقال حرارت بین میله های سوخت و سیال خنک کننده در یک کانال عبور سیال به طول 600 میلیمتر از راکتور آبی تحت فشار مدلسازی و شبیه سازی شده است. این پره ها از یک سو با افزایش آشفتگی جریان و کاهش اثر مقاومتی لایه مرزی حرارتی بر روی میله های سوخت باعث افزایش ضریب انتقال حرارت می شوند لیکن در عین حال اثر قابل ملاحظه ای بر میزان افت فشار دارند. در این مقاله، توزیع فشار درون کانال سیال، ضریب انتقال حرارت در راستای کانال و همچنین نسبت سرعت محوری در کانال به سرعت متوسط سیال در کانال با پره مخلوط کننده در مقایسه با کانال بدون پره، مورد بررسی قرارگرفته است.
نتایج نشان می دهد که با افزایش فاصله از پره سرعت محوری نسبی به یک نزدیک تر می شود که به علت کاهش اثر پره در به چرخش درآوردن سیال در فواصل دورتر از پره می باشد. افت فشار استاتیکی سیال حین عبور از پره ها در مسیر جریان و در ابتدا کاهش نسبی شدیدی دارد ولی در ادامه دارای شیب ثابتی است که به واسطه طول و افت پتانسیلی در جهت عمود قابل توضیح است. ضریب انتقال حرارت در حین عبور از پره در کانال نیز افزایش قابل توجهی پیدا می کند که در نهایت باعث افزایش مقدار متوسط آن در کانال می شود. پارامترهای ترموهیدرولیکی سیال در فواصل حدود دویست میلیمتری به بعد تقریبا ثابت بوده است.
کلمات کلیدی: راکتور هسته ای آبی تحت فشار، جریـان آشـفته، پـره هـای مخلوط کننده، دینامیک سیالات محاسباتی.
۱- مقدمه
در راکتور های آبـی تحـت فـشار، سـیال خنـک کننـده تحـت فـشار 15/5 مگاپاسکال از میان میله های سـوخت عبـور مـی کنـد و گرمـای حاصـل از واکنش شکافت هسته ای را از سطح میله های سـوخت مـی گیـرد. یکـی از روشهای افزایش نرخ انتقال حرارت در قلب راکتورهای آبی تحت فشار، قـرار دادن و تعبیه کردن وسایلی جهت افزایش اختلاط و اغتشاش جریـان نظیـر تعبیه پره های مخلوط کننده بر روی اسپیسر می باشد. اسپیسر میـان میلـه های سوخت هسته ای، فاصله لازم را برای عبور سیال خنک کننـده، ایجـاد می کند و از ارتعاش میله های سوخت نیز جلوگیری می کند.
البته بکارگیری وسایل مغشوش کننده جریان نظیر پـره هـا منجـر بـه افـت فشار سیال خنک کننده نیز می گردد که برای جبران این افت فشار نیاز بـه پمپاﮊ قویتر سیال به درون قلب می باشد. بنابراین هنگام طراحی اسپیسر هـا بایستی با توجه به اثر افزایشی نرخ انتقال حرارت در طول کانال سیال در اثر اسـتفاده از وسـایل مخلـوط کننـده و افـت فـشار ناشـی از بکـارگیری آنهـا محاسبات بهینه سازی نیز انجام شود. لذا در عمل محققان با طراحی وسایل مخلوط کننده مختلف و تغییر در اندازه و شکل آنها درصدد نیـل بـه تغییـر این هندسه هستند تا با کمترین افت فشار در قلـب راکتـور هـسته ای آبـی تحت فشار، بیشترین افزایش را در نرخ تبادل حرارت در کانـال عبـور سـیال ارایه نمایند.
Karoutas و همکارانش در سال 1995 با نوشتن یک کد محاسباتی و نیـز بکارگیری روشهای تجربی طراحی اسپیسر ها را بهبود دادند]۱.[ آنها با قـرار دادن نوعی پره با نام تجاری Split Vane در مسیر سیال الگوهـای جریـان را بعد از پره ها مشاهده کردند و با تغییر در اندازه و زاویه خم شدن پـره هـا به طرح بهینه ای دست یافتند. پره ها در مقابل هم با زاویه 25 درجه نسبت بــه ســطح بــالای اسپیــسر قــرار داشــتند. Yangو همکــارانش در ســال 1996خواص اغتشاشی سـیال را بـا بکـارگیری یـک مجموعـه میلـه ۵*۵ و تجهیزات مخلوط کننده جریان بدست آوردند]۲[ و آشفتگی جریان را بعد از اسپیسر ها مشاهده کردند. Wang Kee In و همکارانش در سـال 2001 سه نمونه پره مختلف را بر روی اسپیسر ها شبیه سازی کردند]۳[ و با تغییر زوایای پره های تعبیه شده بر روی اسپیسر ها حالت بهینه ای برای کمترین افت فشار و بیشترین نرخ آشفتگی را بدست آورند. بهترین حالت مربـوط بـه زاویه 25 درجه بود. Xiang Zhe و همکارانش در سال 2005 با طراحی و شبیه سازی عددی چند نوع پره که توسط خودشان طراحی شده بود سـعی در آشفته کردن سیال عبوری از کانال داشتند]۴.[
۲- مدل سازی فیزیکی
برای بررسی اثر انواع پره ها، دو دسته پره در این مقاله بررسی شده است.
دسته پره های سه بعدی که شامل چهار نوع پره و دسته پره های دو بعدی که شامل پنج نوع پره با اشکال متفاوت است. شکل. ۱ نحوه قرارگیری این پره ها را در کانال نشان می دهد. شکل. ۲ ابعاد دامنه محاسباتی را برای دسته میله های سوخت نمایش می دهد.
طول دامنه محاسباتی قبل از پره ها 100 میلی متر و بعد از آن تا 500 یلی متر ادامه پیدا می کند. قطر میله های سوخت برابر 9.53 میلِیمتر و سبت P/D برابر ۳۳/۱ و عدد رﹺینولدز جرﹺیان برابر 6500 است. ابعاد پره ا با توجه به مدل موجود در نتایج تجربﹺی و ﹺنیز با توجه به ابعاد مدل واقعی نتخاب شده است. ضخامت پره ها و نگهدارنده سوخت نسبت به طول کانال سیار ناچیز بوده و از آن نسبت به بقیه ابعاد صرف نظر شده است. آب تحت شار 15/5 مگا پاسکال به عنوان سیال خنک کننده، حرارت ایجاد شده در یله های سوخت را جذب می کند. جریان کاملا آشفته است و با توجه به قارن در مجموعه های میله سوخت تنها قسمتی از فضای کانال مدل سازی شده است و خصوصیات جریان در بقیه فضای کانال از شرط تقارن بدست ی آید. این انتخاب در نهایت منجر به کاهش تعداد نقاط شبکه و افزایش سرعت محاسبات می گردد. شکل.۳ مقطع در نظر گرفته شده از کانال را شان می دهد. . شبکه در مقطعی از کانال در شکل. ۴ آمده است.
۴- شرایط مرزی
سرعت ورودی سیال خنک کننده برای حل ۹۷/۶ متر بر ثانیه است . در مرز خروجی گرادیان کلیه متغیر ها نسبت به راستای میله ها صفر در نظر گرفته شده است. در مرز میله ها قانون دیواره ]۳[ و در مرزهای بین میله ها شرط تقارن استفاده شده است.
۵- مدل سازی عددی
معادلات حاکم بر مساله به روش حجم محدود حل شده اند و الگوریتم Simple انتخاب شده است. شبکه عددی مناسب برای جریان غیر یکنواخت که در نزدیکی پره ها که سرعت بیشتر و چرخشی تر است، ریزتر شده است. با توجه به مدل انتخاب شده در جریان آشفته، در نزدیکی دیواره 60 < y+ < 30 است که y+ طول بدون بعد از دیواره است. تعداد نقاط نهایی شبکه برای به منظور مستقل بودن جواب از شبکه در جدول ۱ آمده است.
۶- بحث بر روی نتایج
در شکل. ۵ خطوط جریان برای مقطعی از کانـال شـامل پـره از نـوع Split Vane و Ripped Open در سرعت6/79متر بر ثانیـه نـشان داده شـده است. جریان چرخشی در این مقاطع که متاثر از وجود پره می باشـد باعـث ایجاد اغتشاش در طول کانال می گردد.
این چرخش با افزایش فاصله از پره کاهش می یابد. همانگونه که در شکل.۵ نمایش داده شده است. جریان چرخـشی بعـد از پـره Ripped Open بـه طور کامـل ماننـد مـدل Split Vane شـکل نگرفتـه اسـت. ایـن جریـان چرخشی در افزایش ضریب انتقال حرارت تاثیر به سزایی دارد.
مقدار سرعت محوری نسبی (نسبت سرعت محوری به سرعت متوسط) در قسمتهای مختلف طولی کانال به همراه نتایج تجربی برای پره از نوع Split Vane و برای سرعت ورودی 6/79 متر بر ثانیه در شکل. ۶ نمایش داده شده است. نتایج تجربی از مرجع شماره ۴ گرفته شده است. قطر هیدرولیکی برای تمام پره ها برابر ۵/۹ میلیمتر است. نتایج عددی و تجربی مطابقت خوبی از لحاظ مقدار و روند تغییرات دارند. اختلافی که در این دو نوع داده وجود دارد بیشتر به خطای مدل سازی مربوط می شود چرا که از مدل کردن فنرهای نگهدارنده و بعضی از اجزای جانبی صرف نظر شده است. در فاصله های دورتر از نگهدارنده پره
(۵/۸( Z/Dh> مطابقت میان نتایج عددی و تجربی بیشتر می شود که عدم تاثیر خطوط جریان در کانال از جزییات نگهدارنده و پره ها در مدل عددی در این فواصل، علت این مطابقت می باشد زیرا با فاصله گرفتن از اسپیسر، جریان از اسپیسر کمتر تاثیر می پذیرد و خطای مدل سازی با فاصله گرفتن از اسپیسر بر روی داده ها کمتر تاثیر می گذارد و مقدار سرعت محوری نسبی در فواصل دورتر از اسپیسر به عدد یک نزدیکتر شده است. برای محاسبه مقدار سرعت محوری در کل دسته میله سوخت از شرط تقارن می توان استفاده کرد.
