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분할 형태 혼합날개가 장착된 연료집합체 내부유동 분포 수치해석
Numerical Analysis of Flow Distribution Inside a Fuel Assembly with Split-Type Mixing Vanes 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.40 no.5 = no.368, 2016년, pp.329 - 337  

이공희 (한국원자력안전기술원 원자력안전연구실) ,  정애주 (한국원자력안전기술원 원자력안전연구실)

국가컴퓨팅센터 유발 논문

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (9)

  1. Chang S. -K., Kim, S. and Song, C. -H., 2014, "Turbulent Mixing in a Rod Bundle with Vaned Spacer Grids: OECD/NEA-KAERI CFD Benchmark Exercise Test," Nuclear Engineering and Design, Vol. 279, pp. 19-36. 

  2. Lee, G. H., Bang, Y. S., Woo, S. W. and Cheong, A. J., 2014, "Numerical Study on the Effect of Reactor Internal Structure Geometry Treatment Method on the Prediction Accuracy for Scale-down APR+ Flow Distribution," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 38, No. 3, pp. 271-277. 

  3. Lee, G. H., Bang, Y. S. and Cheong, A. J., 2015, "Numerical Analysis of the Effect of Hole Size Change in Lower-Support-Structure-Bottom Plate on the Reactor Core-Inlet Flow-Distribution," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 11, pp. 905-911. 

  4. Lee, G. H. and Cheong, A. J., 2015, "CFD Analysis for the Turbulent Flow Distribution in a Fuel Assembly with the Split-type Mixing Vanes by Using the Advanced Scale-Resolving Turbulence Models," Applied Mechanics and Materials, Vols. 752-753, pp. 902-907. 

  5. Lee, G. H. and Cheong, A. J., 2015, "Effect of the Accuracy Order of the Discretization Scheme on the Prediction Performance for the Turbulent Flow Structure inside Fuel Assembly: Sensitivity Study," Proc. of the ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2015, AJK2015-03027, July 26-31, SEOUL, KOREA. 

  6. 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. 

  7. ANSYS CFX, Release 14.0, ANSYS Inc. 

  8. Menter, F., 2001, "CFD Best Practice Guidelines for CFD Code Validation for Reactor Safety Applications," ECORA CONTRACT $N^{\circ}$ FIKS-CT-2001-00154. 

  9. ANSYS CFX-Solver Modeling Guide, 2011, ANSYS Inc. 

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