مدل سازی و تحلیل عددی جریان در بستر‌های پر شده از گوی برای خنک سازی قلب راکتور گداخت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

یکی از چالش های مهم در راکتورهای گداخت هسته‌ای برداشت حرارت به کمک کانال‌های انتقال حرارت تعبیه شده می‌باشد. این موضوع سبب گردیده تا از روش‌های مختلفی جهت بهبود خنک‌سازی راکتور استفاده شود. یکی از روش‌های مورد مطالعه در این بخش، استفاده از مغشوش‌کردن هر چه بیشتر میدان جریان به کمک کانال پر شده از گوی می‌باشد. در کار حاضر شبیه‌سازی و تحلیل عددی انتقال حرارت در کانال‌های پر شده از گوی، به عنوان راه حلی برای بالا بردن میزان ضریب انتقال حرارت، با استفاده از کد عددی در دسترس مورد بررسی قرار گرفته است. گوی‌های موجود در کانال به صورت یک جسم پیوسته‌ی متخلخل فرض شده و ضرایب مربوط به جسم متخلخل با استفاده از معادلات اِرگون و معادلات بقای مومنتوم حاکم بر جسم متخلخل برای آرایش‌های مختلف گوی‌ها در کانال، بدست آمده است. اثر دیواره در شبیه‌سازی جسم متخلخل بکمک مدلی اصلاحی برای مدل آشفتگی ϵk- در نظر گرفته شده است. مشاهده گردید که شبیه‌سازی عددی به کمک جسم متخلخل در مقایسه با کارهای عددی مرسوم که نیاز به تولید شبکه نامنظم و در عین حال تعداد سلول محاسباتی بالا دارند، می‌تواند با دقت مناسبی پارامترهای مختلف میدان جریان، اعم از افت فشار و ضریب انتقال حرارت را برای آرایش‌های مختلف گوی در داخل کانال محاسبه نماید. همچنین مشاهده گردید با کاهش میزان تخلخل گوی‌های موجود در لوله مقدار افت فشار و ضریب انتقال حرارت افزایش پیدا خواهد کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Modeling and Numerical Analysis of Sphere Packed Beds for cooling a Fusion Reactor Core

نویسندگان [English]

  • A. Rabiee
  • A. H. Kamalinia
  • K. Hadad
چکیده [English]

A vital challenge in fusion nuclear reactors is the heat removal through the embedded channels. Various methods have been employed to improve the reactor core cooling systems. One of the methods in this context is creating turbulence in the flow field by using the sphere packed beds. In the present study, the heat transfers in channels filled with spheres, as a technique to enhance the heat transfer coefficient, is investigated through numerical modelling. The spheres in the channel are assumed as a continuous porous media and domain coefficients are obtained by using the Ergun and the momentum conservation equations. Wall effect in porous media modelling is considered by employing the modified k-ϵ turbulent model. In comparison with the conventional numerical methods that requires high number of unstructured grid generation, the porous media numerical simulation demonstrates acceptable accuracy in obtaining flow field parameters including pressure drop and heat transfer coefficient. Meanwhile, it is concluded that a reduction of porosity results in an increase in pressure drop and heat transfer coefficient.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spherical Packed Bed Pipe
  • Porous Media
  • CFD
  • Turbulent flow

مراجع

[1] Seto, N., K. Yuki , H. Hashizume and A. Sagara, "Heat Transfer Enhancement in Sphere-Packed Pipes under High Reynolds Number Condition", Fusion Engineering and Design, October (2008): 1102-1107.
[2] Chiba, S., M. Omae K. Yuki, H. Hashizume, S. Toda and A. Sagara, "Experintal Research on Molten Salt Thermofluid Technology Using a High-Temperature Molten Salt Loop Applied for a Fusion Reactor Flibe Blanket", Fusion Engineering and Design, 2002.
[3] Varahasamy, M. and R.M. Fand, "Heat Transfer by Forced Convection with Porous Media whose Matrices are Composed of Spheres", Heat mass transfer, (1996):3931-3947.
[4] Okumura, M., K. Yuki, H. Hashizume and A. Sagara, "Evaluation of Flow Structure in Packed-Bed Tube by Visualizing  Experiment", Fusion science Technology,(2005): 1089-1093.
[5] Bu, S., J. Yang, , Q. Dong and Q. Wang, "Experimental study of flow transitions in structured packed beds of spheres with  electrochemical technique", Experimental Thermal and Fluid Science, 60 (2015): 106–114.
[6] Guardo, A., M. Coussirat, M.A. Larrayoz, F. Recasens and E. Egusquiza, "Influence of the turbulence model in CFD modeling ofwall-to-fluid heat transfer in packed beds", Chemical Engineering Science, 60 (2005): 1733 – 1742.
[7] Guardo, A., M. Coussirat, M.A. Larrayoz, F. Recasens and E. Egusquiza, "Influence of the turbulence model in CFD modeling ofwall-to-fluid heat transfer in packed beds", Chemical Engineering Science, 60 (2005): 1733– 1742.
[8] Fand, R. M. and R. Thinakaran, "The Influence of the Wall on Flow Through Pipes Packed With Spheres", Heat mass transfer,  112 (1990).
[9] Bua, S.S., J. Yanga, M. Zhoua, S.Y. Lia, Q.W. Wanga and Z.X. Guob, "On contact point modifications for forcedconvective heat transfer analysis in a structured packed bed of spheres", Nuclear Engineering and Design , 270.15 (2014): 21–33.
[10] Nakayama, A. and F. Kuwahara, "Turbulence Model for Flows in Packed Beds, Channels, Pipes, and Rod Bundles", Journal of Fluids Engineering, 130 (2008).
[11] Chandesris, M., G. Serre and P. Sagaut, "A macroscopic turbulence model for flow in porous media suited for channel, pipe and rod bundle flows", International Journal of Heat and Mass Transfer, 49 (2006): 2739–2750.
[12] McNeil, D.A., K. Barmardouf, B.M. Burnside and M. Almeshaal, "Investigation of flow phenomena in a kettle reboiler", Int. J. Heat Mass Transfer, 53 (2010): 836–848.
[13] Maslovaric, B., V. D. Stevanovic and S. Milivojevic, "Numerical simulation of two-dimensional kettle reboiler shell side thermal–hydraulics with swell level and liquid mass inventory prediction", International Journal of Heat and Mass Transfer, 75 (2014): 109–121.
[14] Pezo, M., V. Stevanovic and Z. Stevanovic, "A twodimensional model of the kettle reboiler shell side thermal–hydraulics",  International Journal of Heat and Mass Transfer, 49 (2006): 1214–1224.
[15] Vafai, K., "Handbook of porous media", Second Edition, Taylor & Francis, 39-78, 2005.
[16] Nazififard, M., M.R. Nematollahi and Y. Suh, "Augmented Heat Transport of Mono-Sized Sphere- Packed Pipe for Force Free Helical Reactor", Transaction of Korean Nuclear Society Autumn Meeting, October, 2012.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 49، شماره 1
اردیبهشت 1396
صفحه 127-136

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار