Stresses induced in pressurizer surge line due to thermal stratification
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019-05-06
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
59 + 10
Series
Abstract
Thermal stratification poses significant loads into surge line of pressurized water reactor as thermal stresses are induced due to uneven thermal expansion. Therefore, this phenomenon has reached notable research interest around the world and multiple studies have been conducted on the topic. In this thesis, knowledge relevant for structural assessment of thermal stratification was presented. In addition, foundation for both numerical and analytical assessment of main stress components was given. First, numerical simulation procedure for both thermal-hydraulic and structural responses were proven to be in relatively good agreement with experimental results from German HDR program. Then these validated models were further utilized in parametric study to examine changes in thermal-hydraulic and mechanical responses. According to this study, pipe diameter based Richardson’s number is feasible measure of dynamical similarity in thermally stratified flows. When Richardson’s number increases, the height of the mixing layer decreases and vertical position rises. Furthermore, similar correlation was also realized for maximum stresses as larger stresses where associated with larger Richardson’s numbers. However, as the correlation was only true for isothermal simulations, Richardson’s number can not be used single-handedly to estimate stresses. Finally, based on the parametric study, increase of flow velocity can not be considered as a solution for thermal stratification. In the worst case it might magnify loads induced by thermal striping and promote high cycle fatigue. In addition to the knowledge obtained from numerical simulations, the main results of the thesis were analytical models which can be applied for estimation of stresses induced by thermal stratification in typical PWR surge lines. These methods are especially important in situations where use of time and resource consuming numerical models is not possible. When support conditions were explicitly known, both temperature profile decomposition and thermal bowing methods were found to give accurate estimates for stresses induced into straight pipe under stratified temperature load. When these formulas were applied into realistic geometry of HDR setup and thermal loading conditions were altered, distinct limitations were realized. Use of thermal bowing method is limited to cases where simple support conditions are realized. Decomposition method on the other hand will produce sufficiently accurate results for wider range on support conditions. However, reliable estimates are only obtained if scale factors for membrane and bending stresses are optimized. Further studies are still needed to validate performance of decomposition method on actual surge line geometries.Lämpötilakerrostuma on virtausilmiö, joka epätasaisen lämpölaajenemisen seurauksena aiheuttaa painevesireaktorin yhdyslinjaan huomattavia jännityksiä. Ilmiö on ollut maailmanlaajuisesti merkittävä tutkimuskohde ja aiheesta on julkaistu useita tutkimuksia. Tässä tutkielmassa esiteltiin rakenteellisen arvioinnin suorittamisen kannalta merkittävät taustatiedot ilmiöstä. Tämän lisäksi tarkasteltiin sekä numeerisia että analyyttisiä laskentamenetelmiä tärkeimmille jännityskomponenteille. Tutkielmassa hyödynnettiin numeerisia laskentamenetelmiä sekä lämmönsiirtoa että mekaanista vastetta simuloivissa malleissa. Mallien todettiin aluksi Saksalaisen HDR-testiohjelman tulosten perusteella noudattavan todellisuutta riittävällä tarkkuudella, minkä jälkeen malleja sovellettiin parametrisessä tutkimuksessa. Parametrinen tutkimus osoitti, että putken halkaisijaan perustuvaa Richardsonin lukua voidaan käyttää lämpötilakerrostuneen putkivirtauksen dynamiikan kuvaamisessa. Richardsonin luvun kasvaessa sekoittumiskerroksen paksuuden huomattiin pienevän ja keskikohdan sijainnin nousevan. Vastaava korrelaatio ilmeni myös putken maksimijännityksille, joiden havaittiin olevan riippuvaisia Richardsonin luvusta. Richardsonin luku ei kuitenkaan yksin riitä kuvastamaan syntyviä jännityksiä, sillä korrelaatio toteutui ainoastaan simulaatioille joissa lämpötilaerot olivat samoja. Lopuksi numeeristen simulaatioiden perus-teella todettiin, että virtausnopeuksien kasvattaminen ei ole sopiva ratkaisu lämpötilakerrostumaongelman ratkaisuksi. Huonoimmassa tapauksessa tämä saattaa lisätä kerrostuman rajapinnan heilahtelua ja näin ollen edesauttaa korkeasyklistä väsymistä. Numeeristen simulaatioiden perusteella tehtyjen havaintojen lisäksi tämän tutkielman tärkein tulos oli analyyttiset menetelmät, joita voidaan hyödyntää lämpötilakerrostuman painevesireaktorin yhdyslinjaan aiheuttamien jännitysten arvioinnissa. Nämä kaavoihin perustuvat menetelmät ovat erityisen tärkeitä tilanteissa, joissa numeeristen mallien käyttö ei ole ajan tai resurssien puutteen vuoksi mahdollista. Alustavissa suoralla putkella tehdyissä tarkasteluissa molemmat tutkielmassa esitellyt menetelmät antoivat tarkkoja arvioita syntyville aksiaalijännityksille. Kun menetelmiä edelleen sovellettiin HDR-testilaitoksen geometrialle sekä vaihtuville lämpöjännityskuormille, havaittiin niiden käyttäytymisessä kuitenkin selkeitä eroja. Lämpötaivutuksiin perustuvan menetelmän huomattiin soveltuvan käytettäväksi ainoastaan tilanteissa, joissa tuentaolosuhteet sallivat putken kiertymät molemmissa päissä. Lämpötilajakauman erittelyyn perustuvan menetelmän puolestaan todettiin antavan suhteellisen tarkkoja arvioita putken jännitystilasta selvästi laajemmalla joukolla tuentaolosuhteita. Menetelmän käyttö vaatii kuitenkin jännityskomponenttien vaikutuskertoimien optimoinnin ja tämän lisäksi käyttäytyminen todenmukaisella yhdyslinjageometrialla täytyy vielä varmistaa jatkotutkimuksilla.Description
Supervisor
St-Pierre, LucThesis advisor
Hytönen, YrjöKeywords
thermal stratification, thermal stresses, pressurized water reactor, surge line