CFD modelling of heat transfer to supercritical water in vertical pipe

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2011

Department

Teknillisen fysiikan laitos

Major/Subject

Ydin- ja energiatekniikka

Mcode

Tfy-56

Degree programme

Language

en

Pages

69

Series

Abstract

The Supercritical Water Reactor (SCWR) is one of the fourth generation nuclear power plants. One of the major challenges in its design is heat transfer which has enhanced and deteriorated modes in addition to the normal mode. There is still too little knowledge of the different modes and their occurence and for example a decent correlation for system codes does not exist. Experiments with supercritical water are expensive and demanding and hence they are more often substituted with computational modelling. The computational model has to be validated against real experiments before using it for further research. This validation is also the main point in this thesis. The computational modelling of fluid dynamics, the governing equations and turbulence models, are shortly reviewed. The computational tool, Open- FOAM, and the modifications done to render it possible for modelling supercritical water, are presented. The experiment considered here is a vertical pipe with heated section and supercritical water flowing upwards. The results obtained with too coarse mesh are false but converge to correct results when the amount of cells in the mesh is increased. The form of the mesh affects the results slightly but with the selected mesh the results do not deviate from cylindrical symmetry. The results without gravitation are surprisingly similar to results with upward flow whereas the downward flow results are different. Three different turbulence models are used: laminar, k-epsilon- and SST. The SST model outperforms the other two and the laminar one is the worst as expected. The heat transfer deterioration, the most significant aspect of heat transfer in supercritical region, is in practice totally missed by the simulations. With further research and refining the turbulence model or even moving over to direct numerical simulation, the validation is certainly possible.

Ylikriittisen veden reaktori (SCWR) on yksi kehityksen alla olevista neljännen sukupolven reaktoreista. SCWR:n kehityksessä merkittävimpiä haasteita on ylikriittisen veden lämmönsiirto, jossa ilmenee normaalin lisäksi heikentynyt ja tehostunut moodi. Näiden poikkeustilanteiden tuntemus on vielä puutteellista ja esimerkiksi toimivaa lämmönsiirtokorrelaatiota systeemikoodeille ei ole. Ylikriittisen veden kokeellinen tutkimus on kallista ja vaativaa, mistä syystä yhä useammin kokeet korvataan laskennallisella mallintamisella. Tästä huolimatta simulaatiomalli ja -ohjelma on validoitava todellisilla koetuloksilla, mikä on myös tämän diplomityön päätarkoitus. Työssä käydään ensin läpi laskennallisen nesteen mallintamisen perusteet, virtausyhtälöt ja niiden diskretointi sekä esitellään käytetyt turbulenssimallit. Tämän jälkeen esitellään käytetty ohjelmisto, OpenFOAM, ja siihen tehdyt muutokset joiden avulla mahdollistettiin ylikriittisen veden mallintaminen. Mallinnettu koe on lämmönsiirto ylikriittiseen veteen pystysuorassa putkessa. Liian harvalla laskentaverkolla tulokset ovat selkeästi vaaria, mutta tiheämmällä verkolla tulokset ovat järkeviä eikä solujen lisääminen tietyn rajan jälkeen tuo enää lisää tarkkuutta. Verkon muoto vaikuttaa tuloksiin jonkin verran, mutta valitulla verkolla poikkeamat sylinterisymmetriasta ovat vahaisia. Kokonaan ilman gravitaatiota lasketut tulokset muistuttavat merkittävästi normaalista ylöspäin virtauksesta saatuja tuloksia, mutta alaspäin suuntautuneen virtauksen tulokset poikkeavat niistä selvästi. Työssä käytetään kolmea erilaista turbulenssimallia: laminaarista, k-epsilon- ja SST-mallia. Koetuloksia parhaiten vastaa SST-malli, kun taas laminaarinen jaa odotetusti huonoimmaksi. Lämmönsiirron heikkeneminen, mahdollisesti tärkein piirre ylikriittisen veden lämmönsiirrossa, jää käytännössä kokonaan havaitsematta simulaatiotuloksissa. Koodin ja laskentamallin kehittämisellä validointi on kuitenkin mahdollista.

Description

Supervisor

Salomaa, Rainer

Thesis advisor

Danielyan, Davit

Keywords

Generation IV, generation IV, SCWR, SCWR, supercritical water, ylikriittinen vesi, heat transfer, lämmönsiirto, CFD, CFD, OpenFOAM, OpenFOAM

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122358317

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI