Simulación con CFD de una instalación experimental PTS (Pressure Thermal Shock)

Abstract

[ES] La integridad estructural de los sistemas de tuberías es esencial para el correcto funcionamiento de las plantas nucleares. Una de las causas más importantes relacionadas con los fallos inesperados o roturas en dichos componentes son las cargas térmicas inducidas que se producen durante el mezclado de flujos a distinta temperatura. Mediante el uso de códigos fluidodinámicos (conocidos como CFD del inglés Computational Fluid Dynamics) puede llegar a preverse éstos fenómenos. En este trabajo se ha estudiado la fluctuación de temperatura que se produce tras mezclar dos flujos a distinta temperatura utilizando el código ANSYS® CFX. Los investigadores de Vattenfall Research & Development han desarrollado una instalación experimental para captar este fenómeno, aportando a la comunidad científica datos de validación de gran precisión. Utilizando esta información se ha reproducido el experimento mediante simulación numérica y se han comparado los resultados con las medidas reales. Dada la gran importancia de los modelos de turbulencia en la predicción de resultados, se han detallado las técnicas de cálculo que utilizan, profundizando en el modelo Large Eddy Simulations (LES). Se muestran los resultados de tres simulaciones llevadas a cabo utilizando LES con distinto modelado de las pequeñas escalas de torbellinos (modelos de subgrid). Adicionalmente se ha estudiado la sensibilidad que muestra la simulación al grado de refinado del mallado utilizado. Para ello se ha empleado un mallado de 3.8 millones de nodos y otro de 0.8 millones observando que el primero ajusta mejor los resultados a los valores experimentales. Se puede afirmar que, tras el análisis de resultados, los códigos CFD son capaces de reproducir correctamente el comportamiento de los fluidos. No obstante, en algunas zonas pudieron observarse ligeras discrepancias que se han discutido a lo largo del trabajo.

[EN] The structural integrity of piping systems is essential for the proper operation of nuclear plants. One of the most important causes related to unexpected failures or breaks in these kind of components are induced thermal loads originated during the mixing of two fluids at different temperature. By using Computational Fluid Dynamics Codes (known as CFDs), these phenomena can be predicted. In this TFM, we have studied the temperature fluctuation that happens after mixing two streams at different temperature using the code ANSYS® CFX. Researchers at Vattenfall Research & Development have developed an experimental mock-up to capture this phenomenon, providing a highly accurate validation data to the scientific community. Using this information, the experiment was reproduced by numerical simulation and the results were compared with the actual measurements. Due to the importance of the turbulence models in the results prediction, the computational techniques that this models use have been detailed, going deeper into the Large Eddy Simulations Model (LES). The results of three simulations carried out using LES with different modeling of the small vortex scales (known as subgrid models) are shown. In addition, a sensitivity study has been carried out considering the degree of refining of the mesh used. For this purpose, a mesh of 3.8 million nodes and another one of 0.8 million have been used, observing that the first one obtains better results. Finally, after the analysis of the results, it can be said that CFD codes are able to correctly reproduce the behavior of fluid. However, in some areas there we slight discrepancies that have been discussed throughout the work.

[CAT/VAL] La integritat estructural dels sistemes de canonades és essencial per al correcte funcionament de les plantes nuclears. Una de les causes més importants relacionades amb les fallades inesperades o ruptures en dites components són les càrregues tèrmiques induïdes que es produeixen durant el mesclat de fluxos a distinta temperatura. Per mitjà de l'ús de codis fluidodinàmics (coneguts com CFD de l'anglés Computational Fluids Dynamics) pot arribar a preveure's estos fenòmens. En aquest treball s'ha estudiat la fluctuació de temperatura que es produeix després de mesclar dos fluxos a distinta temperatura utilitzant el codi ANSYS® CFX. Els investigadors de Vattenfall Research & Development han desenvolupat una instal·lació experimental per a captar aquest fenomen, aportant a la comunitat científica dades de validació de gran precisió. Utilitzant esta informació s'ha reproduït l'experiment per mitjà de simulació numèrica i s'han comparat els resultats amb les mesures reals. Donada la gran importància dels models de turbulència en la predicció de resultats, s'han detallat les tècniques de càlcul que utilitzen, aprofundint en el model Large Eddy Simulations (ELS). Es mostren els resultats de tres simulacions dutes a terme utilitzant ELS amb distint modelatge de les xicotetes escales de remolins (models de subgrid). Addicionalment s'ha estudiat la sensibilitat que mostra la simulació al grau de refinat de la mallada utilitzat. Per a això s'ha empleat una mallada de 3.8 milions de nodes i un altre de 0.8 milions observant que el primer ajusta millor els resultats als valors experimentals. Es pot afirmar que, després de l'anàlisi de resultats, els codis CFD són capaços de reproduir correctament el comportament dels fluids. No obstant això, en algunes zones es van poder observar lleugeres discrepàncies que s'han discutit al llarg del treball.