연료집합체의 지지격자에 설치된 혼합날개는 난류 강화 기구로서 부수로 내부에서 선회류 또는 연료봉 간극사이에서 횡류를 발생시켜 대류열전달을 증진시키는 역할을 한다. 따라서 혼합날개의 기하학적인 형상 및 배열 형태는 혼합날개의 성능을 결정하는 중요한 인자이다. 본 연구에서는 OECD/NEA의 벤치마크 계산에서 활용된 분할 형태의 혼합날개가 장착된 $5{\times}5$ 연료집합체 내부에서의 유동분포 특성을 파악하기 위해 상용 전산유체역학 소프트웨어인 ANSYS CFX R.14를 사용하여 계산을 수행하였고, 계산결과를 MATiS-H 시험장치의 측정값과 비교하였다. 또한 분할 형태의 혼합날개 형상이 연료집합체 내부유동 형태에 미치는 영향에 대해 설명하였다.
연료집합체의 지지격자에 설치된 혼합날개는 난류 강화 기구로서 부수로 내부에서 선회류 또는 연료봉 간극사이에서 횡류를 발생시켜 대류열전달을 증진시키는 역할을 한다. 따라서 혼합날개의 기하학적인 형상 및 배열 형태는 혼합날개의 성능을 결정하는 중요한 인자이다. 본 연구에서는 OECD/NEA의 벤치마크 계산에서 활용된 분할 형태의 혼합날개가 장착된 $5{\times}5$ 연료집합체 내부에서의 유동분포 특성을 파악하기 위해 상용 전산유체역학 소프트웨어인 ANSYS CFX R.14를 사용하여 계산을 수행하였고, 계산결과를 MATiS-H 시험장치의 측정값과 비교하였다. 또한 분할 형태의 혼합날개 형상이 연료집합체 내부유동 형태에 미치는 영향에 대해 설명하였다.
As a turbulence-enhancing device, a mixing vane, which is installed at a spacer grid of the fuel assembly, plays an important role in improving convective heat transfer by generating either swirl flow in the subchannels or cross flow between the fuel rod gaps. Therefore, both the geometric configura...
As a turbulence-enhancing device, a mixing vane, which is installed at a spacer grid of the fuel assembly, plays an important role in improving convective heat transfer by generating either swirl flow in the subchannels or cross flow between the fuel rod gaps. Therefore, both the geometric configuration and the arrangement pattern of a mixing vane are important factors in determining the performance of a mixing vane. In this study, in order to examine the flow-distribution features inside a $5{\times}5$ fuel assembly with split-type mixing vanes, which was used in the benchmark calculation of the OECD/NEA, we conduct simulations using the commercial computational fluid dynamics software, ANSYS CFX R.14. We compare the predicted results with measured data obtained from the MATiS-H (Measurement and Analysis of Turbulent Mixing in Subchannels-Horizontal) test facility. In addition, we discuss the effect of the split-type mixing vanes on the flow pattern inside the fuel assembly.
As a turbulence-enhancing device, a mixing vane, which is installed at a spacer grid of the fuel assembly, plays an important role in improving convective heat transfer by generating either swirl flow in the subchannels or cross flow between the fuel rod gaps. Therefore, both the geometric configuration and the arrangement pattern of a mixing vane are important factors in determining the performance of a mixing vane. In this study, in order to examine the flow-distribution features inside a $5{\times}5$ fuel assembly with split-type mixing vanes, which was used in the benchmark calculation of the OECD/NEA, we conduct simulations using the commercial computational fluid dynamics software, ANSYS CFX R.14. We compare the predicted results with measured data obtained from the MATiS-H (Measurement and Analysis of Turbulent Mixing in Subchannels-Horizontal) test facility. In addition, we discuss the effect of the split-type mixing vanes on the flow pattern inside the fuel assembly.
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문제 정의
14를 사용하여 계산을 수행하였고, 계산결과를 측정값과 비교하였다. 또한 분할 형태의 혼합날개형상이 연료집합체 내부유동 형태에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 주요 결론은 다음과 같다.
14(7)를 사용하여 계산을 수행하였고, 계산결과를 측정값과 비교하였다. 또한 분할형태의 혼합날개 형상이 연료집합체 내부유동 형태에 미치는 영향에 대해 설명하였다.
본 연구에서는 2가지 형태의 격자계에 대해 격자 민감도 평가를 수행하였다. 계산에 사용된 격자계에 대한 상세 정보를 Table 2에 요약하였다.
전반적으로 속도크기의 차이가 미미하고 과도한 비정상 계산 시간을 저감하기 위해 본 논문에서는 성긴 격자(1.77×107개, type A)에 대한 계산 결과를 설명하였다.
제안 방법
계산시 입구조건으로 활용하기 위해 지지격자가 설치되지 않은 연료봉 다발에 대해 속도 성분이 추가적으로 측정되었으나, 측정부위가 입구단면 전체가 아닌 일부분이어서 실제 계산에 적용하기에는 제한이 있었다. 따라서 본 연구에서는 유동방향으로 주기조건을 부여해서 완전 발달된 유동장을 별도의 계산을 통해서 얻었으며, 이를 입구경계조건으로 활용하였다. Fig.
연료집합체 형상의 과도한 단순화를 방지하고 보다 효율적인 격자 분포를 위해 사면체, 웨지, 피라미드 및 육면체 형태로 구성된 혼합격자를 생성하였다. 벽 근처에서 격자 해상도를 향상시키기 위해 프리즘 형태의 격자를 배치하였다.
본 연구에서는 상용 전산유체역학 소프트웨어인 ANSYS CFX R.14(7)를 이용하여 비압축성, 등온, 비정상 상태 조건하에서 5×5 연료집합체 내부의 난류 유동장을 계산하였다.
출구경계면에서는 평균 정압(static pressure) 조건을 적용하였다. 연료봉, 혼합날개 등을 포함한 모든 벽경계면에서는 점착(no-slip) 조건을 적용하였다. 벽 근처의 유동을 계산하기 위해 가변(scalable) 벽함수를 사용하였다.
연료집합체 형상의 과도한 단순화를 방지하고 보다 효율적인 격자 분포를 위해 사면체, 웨지, 피라미드 및 육면체 형태로 구성된 혼합격자를 생성하였다. 벽 근처에서 격자 해상도를 향상시키기 위해 프리즘 형태의 격자를 배치하였다.
작동 유체로는 35℃의 물을 적용하였다. 출구경계면에서는 평균 정압(static pressure) 조건을 적용하였다. 연료봉, 혼합날개 등을 포함한 모든 벽경계면에서는 점착(no-slip) 조건을 적용하였다.
대상 데이터
(1) 시험루프 변수들(유량, 압력 및 온도)을 감시하고 조정하기 위해유량계, 게이지 압력 수송기 및 열전대가 시험부의 입구에 설치되었다. 모든 내부 장치들(연료봉 25다발, 지지격자, 혼합날개 및 지지물)은 스테인리스강으로 제작되었다.
2.2 시험조건
시험에서는 35℃, 156.9kPa 조건의 물이 작동유체로 사용되었다. 질량 유량은 24.
시험장치는 크게 물 저장탱크, 순환펌프 및 시험부로 구성된다. 시험루프의 냉각재 온도는 물 저장탱크에 설치되어 있는 가열기 및 냉각기를 제어함으로써 ±1℃ 범위내에서 정확하게 유지된다.
데이터처리
따라서 본 연구에서는 유동방향으로 주기조건을 부여해서 완전 발달된 유동장을 별도의 계산을 통해서 얻었으며, 이를 입구경계조건으로 활용하였다. Fig. 7에서 입구경계조건으로 활용된 시간 평균 축방향 속도성분(W/Wbulk)에 대한 계산 결과를 시험 결과와 비교하였다. 시험부의 정방형 덕트 벽 근처(X/P=2.
001sec로 해서 유동발달 시간 3sec까지 계산을 수행하였다. 매 시간단계별로 개별 방정식들의 제곱평균(root mean square) 잔차가 10-5이하인 경우에 수렴된 것으로 판정하였다.
본 연구에서는 OECD/NEA에서 벤치마크 계산(1,6)으로 활용된 분할 형태(split-type)의 혼합날개가 장착된 5×5 연료집합체 내부의 유동분포 특성을 파악하기 위해 상용 전산유체역학 소프트웨어인 ANSYS CFX R.14(7)를 사용하여 계산을 수행하였고, 계산결과를 측정값과 비교하였다.
본 연구에서는 OECD/NEA에서 벤치마크 계산으로 활용된 분할 형태의 혼합날개가 장착된 5×5 연료집합체 내부에서의 난류유동을 파악하기 위해 상용 전산유체역학 소프트웨어인 ANSYS CFX R.14를 사용하여 계산을 수행하였고, 계산결과를 측정값과 비교하였다.
이상과 같이 본 연구에서 ANSYS CFX R.14(7)로 계산한 평균 속도장 결과의 신뢰성을 평가하기 위해 식 (1)을 사용해서 시험결과와 비교하였다.
이론/모형
또한 유동이 격자선과 나란하지 않거나 복잡한 유동에 대해서는 1차 정확도의 차분법을 가급적 사용하지 않도록 권고하고 있다.(8) 따라서 본 연구에서는 운동량 방정식 및 난류 방정식의 대류항에 대해 2차 정확도에 준하는 고해상도(high resolution) 차분법을 적용하였다. 저자(5)의 선행연구 결과에 따르면 고차 정확도의 차분법이 연료집합체 내부의 평균 속도장을 상대적으로 정확하게 예측하였다.
연료봉, 혼합날개 등을 포함한 모든 벽경계면에서는 점착(no-slip) 조건을 적용하였다. 벽 근처의 유동을 계산하기 위해 가변(scalable) 벽함수를 사용하였다.
시간에 대한 차분법으로는 ANSYS CFX R.14(7)에서 기본적으로 제공하는 2차 정확도의 내재적인 시간 단계법인 Second Order Backward Euler 방법을 사용하였다.
연료집합체 내부의 난류 유동을 계산하기 위해 SSG(Speziale, Sarkar and Gatski) 레이놀즈 응력모델을 사용하였다. 상기 난류모델은 개별 레이놀즈 응력에 대한 수송방정식을 계산함으로써 강한 비등방성, 유선 곡률, 이차 유동, 변형률의 급격한 변화 등의 영향을 2방정식 난류모델에 비해 상대적으로 잘 고려할 수 있다.
성능/효과
(1) ANSYS CFX R.14가 연료집합체 내부의 시간평균 속도장을 일정 부분 타당한 수준으로 예측할 수 있음을 확인하였다. 다만 계산값과 측정값 사이의 국부적인 차이로 인해 일부 변수들(예; 선회인자 등)은 특정 부수로에서 다른 경향성을 나타내었다.
냉각재 유량은 순환펌프의 회전속도를 변경함으로써 자동으로 조정된다.(1) 시험루프 변수들(유량, 압력 및 온도)을 감시하고 조정하기 위해유량계, 게이지 압력 수송기 및 열전대가 시험부의 입구에 설치되었다. 모든 내부 장치들(연료봉 25다발, 지지격자, 혼합날개 및 지지물)은 스테인리스강으로 제작되었다.
(3) 유동이 하류로 진행하면서 혼합날개에 의한 선회류의 강도가 약해짐에 따라 와도 크기는 점차 감쇠하였고, 연료봉 간극사이를 통과하는 횡류의 영향으로 일부 부수로(부수로 2번, 5번)에서음(-)과 양(+)의 와도 첨두값 영역이 부수로 중심에서 다소 벗어난 곳에 위치하였다.
(4) 연료봉 간극 사이를 통과하는 횡류 유동의 강도를 나타내는 혼합인자는 부수로 중심에서 선회유동의 강도를 나타내는 선회인자 대비 동등한 크기를 나타내었다.
31 범위에 포함되었다. 따라서 본 연구에서 사용된 수치모델링은 타당하며, 계산된 평균 속도장 결과는 일정 수준 신뢰할 수 있을 것으로 판단된다.
상기 난류모델은 개별 레이놀즈 응력에 대한 수송방정식을 계산함으로써 강한 비등방성, 유선 곡률, 이차 유동, 변형률의 급격한 변화 등의 영향을 2방정식 난류모델에 비해 상대적으로 잘 고려할 수 있다. 또한 저자가 본 연구와 동일한 격자계에 대해 SAS(Scale-Adaptive Simulation)-SST(Shear Stress Transport) 난류모델로 계산한 결과(4)와 비교시, SSG 레이놀즈 응력모델로 계산한 결과가 측정값과 상대적으로 더 잘 일치하였다. 상기 난류 모델에 대한 상세한 설명은 ANSYS CFX 매뉴얼(9)에서 확인할 수 있다.
4(a) 참조]. 시험의 경우, 유동이 하류로 진행할수록 혼합날개가 유동에 미치는 영향이 점차 사라지면서 해당 부수로들에서 선회인자 크기는 감소하는 경향을 나타내었다. 한편 계산의 경우, 1번 부수로(SC#1번)를 제외한 나머지 부수로들(SC#2, 5번)에서는 시험 결과와 유사하게 유동이 하류로 진행할수록 선회인자 크기가 감소하는 경향을 나타내었다.
유동이 하류로 진행할수록 혼합날개로 인해 발생한 W/Wbulk의 부족(defect) 현상이 사라지면서 시간 평균 축방향 속도성분은 점차 편평한 형태를 나타내었다. 예측된 W/Wbulk은 혼합날개 끝단 부근(Z=0.5Dh, 1.0Dh)에서 일부최소/최대 속도 첨두값이 시험 결과 대비 상대적으로 크게 나타났다. 이러한 차이가 발생한 원인은 수치확산(numerical diffusion) 오차에 의해 비롯된 것이라기 보다는 연료봉 근처에서 빛의 굴절로 인해 측정 결과의 불확도가 증가했기 때문인 것으로 판단된다.
14의 선회인자 대비 동등한 크기를 나타내었다. 예측된 혼합인자 크기는 전반적으로 시험 결과와 유사하게 Z=4.0Dh까지 급격하게 감소하였고 이후로는 감소율이 줄어들었다.
455P에서 측정되었다. 체적(bulk) 속도로 무차원화된 속도 성분들에 대해 LDA 측정 불확실도는 95% 신뢰도에서 4.8~ 5.1%로 평가되었다.(1)
Table 3은 축방향 해당 위치에서 식 (1)로 계산된 점수표를 나타낸다. 총 점수는 91.55로 평가되었으며, OECD/NEA 벤치마크 계산 참여자들의 평가 결과인 53.04~151.31 범위에 포함되었다. 따라서 본 연구에서 사용된 수치모델링은 타당하며, 계산된 평균 속도장 결과는 일정 수준 신뢰할 수 있을 것으로 판단된다.
혼합날개 끝단으로부터 하류방향으로 Z=1.0Dh에서 예측된 축방향 평균 와도는 시험 결과와 비교적 잘 일치하였으나, 일부 부수로(부수로 5번)에서 양(+)의 첨두값 분포가 수평방향(x)으로 다소 기울어진 형태를 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
부수로 내부유동예측시 전산유체역학 소프트웨어의 장점은?
그러나 이러한 부수로 해석 코드는 기하학적인 형상에 종속된 혼합 인자(mixing factor) 및 지배방정식을 종결하기 위한 실험 상관식(empirical correlation)들에 의존한다. 한편 부수로 내부유동예측시 전산유체역학(computational fluid dynamics) 소프트웨어의 장점은 이러한 실험 상관식들에 부수로 해석 코드와 동일한 수준으로 의존하지 않아도 된다는 점이다. 따라서 전산유체역학 소프트웨어로 계산된 결과들은 지지격자 하류의 주요 난류 구조 특성들을 파악할 수 있는 보다 광범위한 적용성을 가진다.
현재 원자력발전소 인허가 신청 시 노심열수력 설계분야에서는 연료집합체 내부의 유동 및 엔탈피 분포를 예측하기 위해 무엇을 사용하는가?
현재 원자력발전소 인허가 신청시 노심열수력 설계분야에서는 연료집합체 내부의 유동 및 엔탈피 분포를 예측하기 위해 COBRA 또는 VIPRE와 같은 부수로 해석 전용 전산코드를 사용하고 있다. 그러나 이러한 부수로 해석 코드는 기하학적인 형상에 종속된 혼합 인자(mixing factor) 및 지배방정식을 종결하기 위한 실험 상관식(empirical correlation)들에 의존한다.
혼합날개의 기하학적인 형상 및 배열 형태가 혼합날개 성능을 결정하는 중요한 인자인 이유는?
일반적으로 연료집합체에서 연료봉다발을 지지하는 지지격자(spacer grid)에는 혼합날개(mixing vane)가 설치된다. 상기 혼합날개는 난류 강화 기구로서 부수로(subchannel) 내부에서 선회류(swirl flow) 또는 연료봉 간극사이에서 횡류(cross flow)를 발생시킨다.(Fig. 1 참조) 선회류는 연료봉 표면부근의 고온 냉각재를 부수로 중심에서 상대적으로 차가운 냉각재와 혼합시킴으로써 연료봉 표면의 열제거를 증가시킨다. 반면에 횡류는 연료봉 사이에서 고온 및 저온 냉각재를 교환함으로써 고온 첨두를 완화시키는데 기여한다.(1) 따라서 혼합날개의 기하학적인 형상 및 배열 형태는 혼합날개의 성능을 결정하는 중요한 인자이다.
참고문헌 (9)
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Lee, J. R., Kim, J. W. and Song, C. -H., 2014, "Synthesis of the Turbulent Mixing in a Rod Bundle with Vaned Spacer Grids Based on the OECD-KAERI CFD Benchmark Exercise," Nuclear Engineering and Design, Vol. 279, pp. 3-18.
Menter, F., 2001, "CFD Best Practice Guidelines for CFD Code Validation for Reactor Safety Applications," ECORA CONTRACT $N^{\circ}$ FIKS-CT-2001-00154.
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