Simulação acoplada CFD-DEM de reatores nucleares de leito fluidizado

• Author(s): Almeida, Lucilla Coelho de
• Date: 2021
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/11422/13735
• Origin: Oasisbr
• Subject(s): CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA NUCLEAR; CFD; DEM; Reatores nucleares; Leitos fluidizados; Transferência de calor
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese

Description

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Dentre as vantagens dos reatores nucleares do tipo leito fluidizado, a transferência de calor e mistura aprimoradas, a vazão do fluido refrigerante como um mecanismo de controle adicional e a possibilidade de remover o combustível do núcleo por gravidade no caso de um acidente se destacam. A modelagem acurada das partículas e do fluido é necessária para avaliar de forma confiável a eficiência termo-hidráulica e a margem de segurança desses reatores. Este trabalho apresenta um acoplamento CFD-DEM usando uma formulação de condução de calor melhorada para partículas esféricas. As partículas são tratadas como uma fase discreta, seguindo a abordagem DEM, enquanto o fluido é tratado como uma fase contínua, descrito pelas equações de Navier-Stokes promediadas no volume da célula. Em vez de aproximar a temperatura da superfície pela temperatura média da partícula como na abordagem de parâmetros concentrados clássica, desenvolveu-se um modelo aprimorado que relaciona a temperatura média da partícula com a temperatura e o fluxo de calor na superfície usando aproximações do tipo Hermite para integrais. Casos simples foram utilizados para validar a metodologia de acoplamento proposta. O método foi então aplicado à simulação de um leito fluidizado borbulhante do tipo Geldart D. Os resultados obtidos foram comparados com dados experimentais de pressão e velocidade, mostrando boa concordância. Os resultados de temperatura mostram que a suposição da temperatura uniforme pode influenciar o cálculo da transferência de calor entre as partículas e, portanto, prever temperaturas menores do que as reais no leito.

Amongst the advantages of fluidized bed nuclear reactors, the improved heat transfer and mixing, the adjustment of the refrigerant flow rate as an extra control mechanism and the possibility of removing the fuel by gravity from the movable core in the event of an accident stand out. Accurate modelling of the particles and the refrigerant behavior is required to reliably evaluate the thermo-hydraulic efficiency and margin of safety of these reactors. This work presents a CFD-DEM coupling approach using an improved heat conduction formulation for spherical particles. In this approach, particles are treated as a discrete phase following the DEM approach, while the fluid is treated as a continuous phase, described by the volume averaged Navier-Stokes equations. Instead of approximating the surface temperature by the average temperature of the particle through classical lumped approach, an improved lumped model was developed, relating the surface to particle average temperatures and surface heat flux by Hermite-type approximations for integrals. Simple cases were used to validate the proposed coupling methodology and their results compared against analytical or empirical results. Then, the proposed method was applied to the simulation of a Geldart D bubbling fluidized bed. The numerical results obtained using the classical and improved formulations are compared with experimental pressure and velocity data, showing good agreement. The temperature results show that the uniform particle temperature assumption can influence the heat transfer calculation, predicting smaller bed temperatures than obtained in reality.