초록 ▼

원자력발전소의 안전성 향상 및 설계개선 등을 위하여 과도 2상유동의 정교한 해석은 필수적이다. 또한 피동안전계통의 채택 등으로 인한 안전계통의 구동력 감소 및 다차원 효과의 중요성 증대에 기인하여 다차원 열수력계산의 필요성은 점증하고 있다. 본 연구에서는 원자로계통의 거동에 중요한 영향을 미치는 원자로 기기 및 국소의 과도 다차원 2상 유동을 정교하게 해석하기 위해 기기 열수력해석 모듈 CUPID를 개발하였다. CUPID는 독자적인 기기 스케일 코드로 쓰거나 혹은 계통분석코드와 접목된 형태의 활용을 염두에 두고 설계하였다. CUPI

원자력발전소의 안전성 향상 및 설계개선 등을 위하여 과도 2상유동의 정교한 해석은 필수적이다. 또한 피동안전계통의 채택 등으로 인한 안전계통의 구동력 감소 및 다차원 효과의 중요성 증대에 기인하여 다차원 열수력계산의 필요성은 점증하고 있다. 본 연구에서는 원자로계통의 거동에 중요한 영향을 미치는 원자로 기기 및 국소의 과도 다차원 2상 유동을 정교하게 해석하기 위해 기기 열수력해석 모듈 CUPID를 개발하였다. CUPID는 독자적인 기기 스케일 코드로 쓰거나 혹은 계통분석코드와 접목된 형태의 활용을 염두에 두고 설계하였다. CUPID 코드의 확인 Verification)을 위해 개념문제 체계를 수립하고 각 문제에 대한 평가계산을 정렬 및 비정렬 격자에서 수행하였다. 그리고 CUPID 코드의 검 증 Validation)을 위해 댐 파괴 실험 강수부 비등실험 수직관 물/공기 2상 유동 실험 PANDA 격납용기 열수력 실험 등을 이용하여 평가계산을 수행하였다. 이를 통해 CUPID 가 과도 다차원 2상 유동에 유용하게 사용될 수 있음을 보였다. 그러나 CUPID의 실용화를 위해 향후 추가적인 기능개발 및 체계적인 검증이 수행되어야 한다.

(출처 : 서지정보양식 528p)

Abstract ▼

A realistic simulation of two-phase flows is essential for the advanced design and safe operation of a nuclear reactor system. The need for a multi-dimensional analysis of thermal-hydraulics in nuclear reactor components is further increasing with advanced design features such as a direct vessel inj

A realistic simulation of two-phase flows is essential for the advanced design and safe operation of a nuclear reactor system. The need for a multi-dimensional analysis of thermal-hydraulics in nuclear reactor components is further increasing with advanced design features such as a direct vessel injection system a gravity-driven safety injection system and a passive secondary cooling system. These features require more detailed analysis with enhanced accuracy. In this regard KAERI has developed a three-dimensional thermal hydraulics code CUPID for the analysis of transient, multi-dimensional, two-phase flows in nuclear reactor components. The code was designed for use as a component-scale code and/or a three-dimensional component, which can be coupled with a system code. This report presents an overview of the CUPID code development and preliminary assessment mainly focusing on the numerical solution method and its verification and validation. It was shown that the CUPID code was successfully verified. The results of the validation calculations show that the CUPID code is very promising but a systematic approach for the validation and improvement of the physical models is still needed.

(출처 : BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET 529p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 보고서 요약서 ... 4
• 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 11
• 목차 ... 18
• 표목차 ... 25
• 그림목차 ... 27
• 제1장 연구개발과제 개요 ... 35
• 제1절 연구개발의 필요성 및 목표 ... 36
• 제2절 연구개발 추진체계 ... 39
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 43
• 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 51
• 제1절 원자로기기 다차원 열수력해석 모듈 개발요건 수립 ... 52
• 1. 개발요건 수립 개요 ... 52
• 가. 목적 ... 52
• 나. 모의 대상 ... 52
• 다. 주요 물리현상 ... 52
• 라. 기하학적 형상 및 길이 스케일 ... 53
• 2. 해석 모듈의 상세 기능 ... 54
• 가. 지배 방정식 요건사항 ... 54
• 나. 기능적 요건사항 ... 55
• 3. 해석 모듈의 확인 및 검증 ... 56
• 가. 해석 모듈의 확인 ... 56
• 나. 해석 모듈의 검증 ... 56
• 제2절 3차원 2상 유동 모델 수립 ... 58
• 1. 3차원 2상 유동 모델 지배방정식 ... 58
• 가. 연속방정식 (Continuity equations) ... 58
• 나. 운동량 방정식 (Momentum equations) ... 59
• 다. 에너지 방정식 (Energy equations) ... 61
• 2. 상태방정식 ... 63
• 가. 물/수증기의 상태방정식 ... 63
• 나. 비응축성 가스와 증기 혼합체의 상태방정식 및 도함수 ... 65
• 3. 3차원 2상 유동모델의 물리적 모델 및 상관식 ... 71
• 가. 2상 유동 양식 모델 ... 71
• 나. 계면 면적 밀도 모델 (ai)(이미지참조) ... 72
• 다. 계면 마찰 계수 (hig 및 hil)(이미지참조) ... 73
• 라. 계면 열전달 계수 (hil 및 hig)(이미지참조) ... 75
• 마. 계면 비마찰항 모델 (Milift, Miwl 및 Mitd)(이미지참조) ... 76
• 바. 천(Churn) 유동 영역 및 과도 (Transition) 유동 영역 모델 ... 77
• 사. 벽면 비등 모델 (Wall boiling model) ... 78
• 아. 난류 모델 (박익규 외, 2009) ... 80
• 제3절 계면면적 수송 모델의 해석모듈 적용 및 검증 ... 91
• 1. 계면면적 수송 모델 개요 ... 91
• 2. 계면면적 수송방정식 및 수치 해법 ... 91
• 가. 계면면적 수송 지배방정식 ... 91
• 나. 난류에 의한 병합 (Turbulence induced coalescence) ... 92
• 다. 난류 충격에 의한 붕괴 (Turbulence impact induced breakup) ... 94
• 라. 핵비등에 의한 선원항(Nucleation induced source term) ... 95
• 마. 유한 체적법을 이용한 이산화(Discretization by finite volume method) ... 96
• 3. 검증 계산 결과 ... 98
• 가. VAWL 실험장치 및 실험조건 ... 98
• 나. 비교 계산 실험의 내용 ... 100
• 다. VAWL 실험 장치 모의 ... 101
• 라. 초기 및 경계 조건 VAWL01 ... 102
• 마. VAWL-01 계산 결과 ... 103
• 제4절 비정렬 격자계 다차원 3-Field 2상유동 수치해법 개발 및 최적화 ... 115
• 1. Semi-implicit ICE 기반 비정렬 격자계 수치해법 ... 115
• 가. 연속 방정식의 이산화 ... 116
• 나. 운동량 방정식의 이산화 ... 120
• 다. 에너지 방정식의 이산화 ... 126
• 라. 대류항 처리 ... 129
• 마. Three-field model 수치해석 방법론 ... 130
• 2. SMAC 기반 비정렬 격자계 수치해법 ... 141
• 가. 비압축성 유체해석을 위한 수치해석 ... 141
• 나. MAC 수치해법 ... 144
• 다. 유한체적법 적용을 위한 문제 ... 146
• 라. 2상유동해석을 위한 SMAC ... 147
• 마. 질량 및 에너지 방정식의 연계 ... 158
• 3. SIMPLE 기반 비정렬 격자계 수치해법 ... 172
• 가. 수치해법 절차 ... 172
• 나. 평가계산 결과 ... 173
• 4. 대류항의 2차 정확도 구현 ... 175
• 가. 대류항의 2차 정확도 확장 개요 (조형규 외 2009, Cho et al., 2010) ... 175
• 나. 비정렬 격자계에서의 유한체적법 ... 176
• 다. CUPID 대류항의 2차 정확도 확장 ... 188
• 라. 2차 정확도 CUPID 코드를 이용한 계산 결과 ... 193
• 마. 대류항 2차 정확도 확장의 요약 및 결론 ... 211
• 제5절 기기 상세해석을 위한 다차원 열전도체 해석 모듈 개발 ... 213
• 1. 열전도 방정식 및 수치해법 ... 213
• 2. 열전도체 모델 독립 검증 결과 ... 217
• 가. 예시문제-1 ... 217
• 나. 예시문제-2 ... 218
• 다. 예시문제-3 ... 220
• 3. 유체 모델 독립 검증 결과 ... 221
• 4. 열전도체-유체 연계 검증 계산 결과 ... 224
• 가. 2차원 열평형 계산 ... 224
• 나. 3차원 열평형 계산 ... 225
• 다. 2차원 에너지 보존 계산 ... 226
• 라. 전도체가 존재하는 2차원 완전 발달 유동 계산 ... 228
• 5. 열전도 모델의 1차원 응용법 ... 230
• 6. 열전도체 모델 향후 개선항목 ... 232
• 제6절 수치해석 격자계 구성기법 및 기기열수력 모듈의 일괄계산환경 개발 ... 233
• 1. 비정렬 격자계 구성 방법 ... 233
• 2. 범용 격자자료 처리기 개발 ... 235
• 3. CUPID의 일괄계산환경 개발 ... 236
• 가. 일괄계산환경 개발 개요 ... 236
• 나. Problem Data, 초기-경계조건 입력 및 계산실행 ... 237
• 다. 출력 가시화 ... 239
• 제7절 기기 열수력해석 모듈의 확인(Verification) 및 검증(Validation) ... 240
• 1. Verification 개념문제 체계 수립 및 평가 ... 240
• 가. 1차원 수직관의 비등유동 ... 241
• 나. 2차원 정상상태 단상유동 계산 ... 241
• 다. 3차원 비등유동 계산 ... 243
• 라. 2차원 파이프에서의 감압에 의한 Flashing 현상 계산 ... 245
• 마. 유로면적감소에 의한 2차원 Flashing 현상 계산 ... 247
• 바. 물-공기 2상유동 3차원 계산 결과 ... 248
• 사. 2차원 상분리 문제 ... 250
• 아. 2차원 수직관 비등유동을 이용한 SMAC 기반 Decoupled 알고리즘의 평가계산 ... 251
• 자. Verification 결과 요약 및 결론 ... 253
• 2. 실증 실험자료에 의한 CUPID의 Validation 수행 ... 254
• 가. 2차원 Dam Break 유동 실험 해석 ... 254
• 나. DOBO 실험 해석 결과 (조형규 외, 2009, Cho et al, 2010) ... 259
• 다. 수직관 물/공기 혼합체 유동 실험 ... 278
• 라. 격납용기 증기/공기 혼합현상 실험 ... 278
• 제8절 붕소 수송 계산 모델 개발 ... 289
• 1. 붕소수송 지배방정식 및 유한체적법을 이용한 이산화 ... 289
• 2. 붕소수송모델의 Verification ... 292
• 가. 붕소수송모델 검증계산 격자조건 ... 292
• 나. 상수붕소농도 입구조건 문제 ... 293
• 다. 붕소 점선원 수송 문제 ... 296
• 라. 계단식 붕소농도 입구조건을 활용한 2차 정확도 시험 ... 298
• 제9절 다공매질 계산 모델 및 대칭 경계 조건 개발 ... 302
• 1. 다공성 매체 모델 개발 ... 302
• 가. 다공성 매체 모델 지배 방정식 및 이산화 방정식 ... 302
• 나. 다공성 매체 모델을 위한 격자 입력 ... 305
• 다. 다공성 매체 격자 입력 자료 구조 ... 307
• 라. 다공성 매체 영역 계산 방법 ... 307
• 마. 다공성 매체 모델 시험 결과 ... 310
• 바. 향후 개선 사항 ... 313
• 2. 대칭경계조건 개발 ... 315
• 가. 유한 체적법에서의 대칭 경계조건 ... 316
• 나. 대칭 경계조건을 이용한 유동 해석 ... 317
• 다. 벽면 열속에 의한 비등문제 ... 320
• 제10절 3차원 노심 동특성 코드 연계 모델 개발 ... 324
• 1. 열수력 모델 지배 방정식 및 이산화 방정식 ... 324
• 가. 다공성 매질 모델 ... 324
• 나. 다공성 매질 영역 계산 방법 ... 327
• 2. 다공성 매질을 위한 격자 입력 ... 329
• 가. 원자로심 모델링 ... 329
• 나. 다공성 매질 입력 방법 ... 332
• 다. 다공성 매질 격자 입력 자료 구조 ... 334
• 3. CUPID/MASTER 통합계산 방법 ... 335
• 가. 다공성 매질 영역 계산 방법 ... 335
• 나. CUPID/MASTER 통합계산 입력자료 작성 요건 ... 335
• 4. 원자로심 계산 결과 ... 338
• 가. 정상 운전상태 해석 결과 ... 338
• 나. 과도상태 해석 결과 (EB25 삽입 사고) ... 342
• 다. 과도상태 해석 (ER4 이탈 사고) ... 345
• 라. SMART-P 노심출력분포 계산 ... 349
• 제11절 다중 스케일 연계 모델 개발 ... 352
• 1. MARS/CUPID 연계절차 수립 ... 352
• 가. 개요 ... 352
• 나. CUPID 코드의 지배방정식 수정 ... 352
• 다. MARS 경계 설정 및 활용 ... 364
• 라. 예시 평가 계산 ... 366
• 2. MARS/CUPID 연계 해석 ... 371
• 가. 원자로용기 연계계산 데모 ... 371
• 나. 격납계통 연계계산데모 ... 376
• 다. 피동안전설비 연계계산데모 ... 379
• 제12절 기기 열수력해석을 위한 혼합거리 모델 개발 ... 383
• 1. 난류경계층 ... 383
• 2. 단상유동 혼합거리모델 ... 385
• 가. Prandtl의 혼합거리모델 ... 385
• 나. 수정 혼합거리모델 ... 386
• 다. 다중 경계층 모델 ... 387
• 라. 다른 모델 ... 389
• 마. 평가 결과 ... 391
• 3. 2상유동 혼합거리모델 ... 394
• 가. Sato 모델 ... 394
• 나. Michiyoshi & Serizawa 모델 ... 395
• 다. 모델 선정 ... 398
• 라. CUPID에서 구현 ... 399
• 제13절 DNB 관점의 CMFD 국내외 기술 현황 분석 ... 406
• 1. 상경계면 추적법(Interface Tracking Method) ... 406
• 가. Front-Tracking 방법 ... 406
• 나. Volume-Of-Fluid (VOF) 방법 ... 407
• 다. Level-Set (LS) 방법 ... 408
• 라. Phase-Field 방법 ... 408
• 마. Lattice Boltzmann 방법 (LBM) ... 408
• 2. 이상유동 DNS 분야에서 DNB (또는 CHF) 연구 프로젝트 ... 409
• 가. NURESIM ... 409
• 나. NURISP ... 410
• 다. MSMA ... 411
• 라. CASL ... 412
• 마. 4세대 원자로의 시뮬레이션을 위한 고성능 해석체계 개발 ... 413
• 부호설명 (Nomenclature) ... 415
• 제4장 연구개발 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 419
• 제1절 연구개발 목표 달성도 ... 420
• 제2절 관련분야 기여도 ... 428
• 제5장 연구개발 결과의 활용계획 ... 429
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 431
• 제1절 NUPTUNE 및 NURISP 프로젝트 ... 432
• 제2절 미국 INL의 R7 (RELAP7) 프로젝트 ... 432
• 제3절 미국 DOE의 CASL 프로젝트 ... 433
• 제7장 참고문헌 ... 434
• 부록 ... 442
• 부록 1. 2상 유동 지배방정식 ... 442
• 부록 2. 2007 - 2011년 주요 연구 내용 요약 ... 457
• 부록 3. 2007~2011년 연구성과 세부목록 ... 507
• 서지정보양식 ... 528
• BIBLIOGRAPHIC INFORMATION SHEET ... 529
• 끝페이지 ... 530