Mechanistic Modeling of Annular Flows at Near-Dryout Conditions
Tid: On 2020-12-02 kl 10.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/j/7040672688, (English)
Ämnesområde: Fysik, Kärnenergiteknik
Respondent: Wenyuan Fan , Kärnenergiteknik
Opponent: Associate Professor Martin Rohde, Delft University of Technology
Handledare: Professor Henryk Anglart, Kärnenergiteknik
Abstract
Syftet med avhandlingen är att utveckla beräkningsmetoder för ringflöden nära torkokning med hjälp av två olika beräkningsströmningsdynamik (CFD)-modeller. En betecknas som filmtransportmodellen, där filmflödet modelleras separat av en förenklad vätskefilmmodell och sedan kopplas med gaskärnsimuleringen med olika kompletterande ekvationer. Den andra kallas filmlösningsmodellen, där flödesdetaljer i filmen och gaskärnan fångas direkt.
Filmtransportmodellen är beräkningseffektiv och kan simulera vissa förenklade industriella ringflöden med torrkokning. För att simulera mer realistiska scenarier har flera nya modeller introducerats. En återvätningsmodell utvecklades för att göra simuleringen kapabel att modellera både förekomst och försvinnande av torrkokning. Noggrant utformade kopplingsscheman användes för att modellera konjugerad värmeöverföringen (CHT) mellan ringflödet och uppvärmningsstrukturen, där Joule-uppvärmningseffekten kan övervägas. Därför kunde CHT-simuleringar förutsäga ytterväggstemperaturen, vilket möjliggjorde en direkt jämförelse med experimentdata. Dessutom tack vare modelleringen av värmestrukturens termiska tröghet fångades den komplexa torrkokningshysteresen framgångsrikt av CHT-simuleringarna.
Volume-of-fluid-metoden (VOF) användes för filmlösningsmodellen, där den Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) -metoden användes för turbulensmodellering. Ett spektrum av ämnen angående RANS-VOF-metoden har diskuterats på grund av dess omogenhet. Ett länge existerande implementeringsproblem i OpenFOAM har upptäckts och korrigerats så att självkonsistenta RANS-VOF-formuleringar kan användas. Tester på stratifierade luft och vattenflödet visade att den nya implementeringen kunde kvalitativt fånga upp turbulensbeteendet runt tvåfasgränssnittet, medan den ursprungliga implementeringen misslyckades katastrofalt och väsentligt felberäknade turbulensnivån. Dessutom överträffade den självkonsistenta implementeringen den ursprungliga när det gäller okänslighet för nätförfining, vilket är avgörande för numeriska simuleringar. Slutligen förutspådde det självkonsistenta nya modellen kvantitativt tvåfasgränsytans turbulensnivå med hjälp av enfasbaserade turbulensmodeller, som sedan korrigerades fenomenologiskt med en nyligen modifierad turbulensdämpningsmodell.
RANS-VOF-simuleringar genomfördes sedan för att undersöka bildandet och utvecklingen av störningsvågor i ett nedåtgående luft-vatten ringflöde. Effektiva efterbehandlingsmetoder utvecklades för att beräkna filmtjockleken från CFD-data, vilket möjliggjorde en intuitiv jämförelse med motsvarande experimentdata. I motsats till stratifierade flöden där den självkonsistenta implementeringen beräknade för hög tvåfasgränsytans turbulensnivå var turbulensnivån beräknad för låg för tunna filmer i ringflöden på grund av den otillräckliga modelleringen av den komplexa vägg-tvåfasgränssnittet-turbulensinteraktionen. Denna unika utmaning löstes fenomenologiskt genom att ytterligare förbättra turbulensdämpningsmodellen, med vilken CFD-simuleringarna kunde reproducera bildandet och utvecklingen av störningsvågor. Det nära sambandet mellan droppavlägsning från vattenfilmsyta och störningsvågor har också fångats.