Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6 [630955]

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

1
CUPRINS
1. INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. …………………….. 3
2. PROIECTAREA FASCICULULUI DE COMBUSTIBIL PENTRU
REACTORUL NUCLEAR DE TIP CANDU 6 ………………………….. ……………. 7
2.1. Teaca combustibilului ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 8
2.2. Dopurile de capăt ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 9
2.3. Grilele de capăt ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 9
2.4. Distanțierele și patinele ………………………….. ………………………….. ……………………….. 10
3. PREZENTARE GENERA LĂ ANSYS -CFX ………………………….. ……….. 12
3.1. SpaceClaim ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 13
3.2. Generarea mesh -ului ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 14
3.3. Definirea fizicii modelului ………………………….. ………………………….. ……………………. 15
3.4. CFX -Solver ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 15
3.4.1. Ecuații de transport ………………………….. ………………………….. ……………………….. 16
3.4.2. Transferul de căldură ………………………….. ………………………….. …………………….. 17
3.5. Vizualizare rezultate în post -procesor ………………………….. ………………………….. ……. 17
4. CREAREA MODELULUI PENTRU ANALIZĂ ………………………….. … 19
4.1. Crearea geo metriei ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 19
4.2. Crearea corpului de fluid ………………………….. ………………………….. ……………………… 23
4.3. Generarea mesh -ului ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 24
5. RULAREA CODULUI DE CALCUL ANSYS -CFX ………………………… 29
5.1. Setăril e modelului ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 29
5.2. Condiții la limită ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 34
5.2.1. Inlet ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… 35
5.2.2. Outlet ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 35

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

2
5.2.3. Wall exterior și wall interior ………………………….. ………………………….. ………….. 36
5.2.4. Wall cr eion central și inele ………………………….. ………………………….. …………….. 36
5.3. Solver Control ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 39
6. POSTPROCESAREA DATELOR ………………………….. ……………………… 40
7. CONCLUZII ………………………….. ………………………….. …………………………. 47
8. BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. …………………… 49

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

3

1. INTRODUCERE
Reactori cu apă grea sub presiune – PHWR (“Pressurized Heavy Water Reactors”) sunt
reactori termici cu două circuite, care folosesc drept combustibil dioxidul de uraniu natural
sau ușor îmbogățit. Moderatorul este apa grea care este separată sau nu de agen tul de răcire,
tot apă grea. Din această filieră face parte reactorul CANDU ( CAN ada-Deuterium -Uranium
Power System) proiectat de Atomic Energy of Canada Limited (AECL).
Proiectarea elementului combustibil este un proces evolutiv. Pentru calculul dimensiuni i
creionului de combustibil, ϕ maxim admisibil pentru reactorii CANDU este cel corespunzător
limitării descompunerii radiolitice a apei grele și a fragilizării tubului de presiune. Duc ând
fluxul neutronic la maxim, se obține o densitate de putere maximă de ~ 380 W/cm3. De
asemenea, calculul neutronic va specifica secțiunea optimă a canalului de combustibil, sau
altfel spus secțiunea de dioxid de uraniu per canal.
Ținând cont de suprafața de dioxid necesară și de unele criterii geometrice (pentru a proiecta
un ansamblu care să conțină subcanale de arii sensibil egale, numărul de elemente
combustibile trebuie să fie: 1, 3, 7, 19, 28, 37 …) și inginerești suplimentare (distanța minimă
necesară dintre elementele combustibile) va rezulta diametrul elementului co mbustibil.
Valoarea astfel obținută, trebuie să fie consecvent cu limitările impuse de eliberarea
produselor de fisiune (puterea liniară) și evitarea atingerii fluxului termic critic, astfel această
valoare va fi corectată în vederea satisfacerii acestor l imite. Evoluția proiectării ansamblului
de elemente combustibile CANDU este prezentat în figura 1.1.
Dimensiunile fasciculului de 19 elemente (NPD & Douglas) a rezultat țin ând cont de
dimensiunea canalului și de prevederea unui spațiu minim necesar pentru un transfer de
căldură acceptabil (0,005 inch = 0,127 cm). Pentru ceilalți reactori, odată cu creșterea puterii,
această dimensiune a canalului și a fasciculului de combustibil ar fi dus la o creștere prea
mare a numărului de canale. Pentru a evita acest l ucru s -a mărit diametrul tubului de presiune
la 10,34 cm, valoare menținută constantă la celelalte proiecte și creșterea puterii liniare a
canalului (putere canal/lungime canal) de la 0,453 MWt/m la Douglas la 0,752 MWt/m la
Pickering.
Cum lungimea canalul ui nu se modifică, creșterea puterii liniare este rezultatul creșterii
puterii canalului deci implicit al fasciculului de combustibil. Pentru a nu mări puterea liniară a
elementului combustibil pentru Pickering, elementele combustibile au același diametru dar

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

4
fasciculul are 28 elemente. Astfel, puterea liniară a elementului combustibil răm âne practic
constantă .

Fig.1.1 Evoluția proiectării ansamblului de elemente combustibile CANDU
Creșterea ulterioară a puterii reactorului va duce la creșterea puterii fa sciculului de la 640 kW
la Pickering la 900 kW la Bruce și 800 kW la CANDU 6, concomitent cu creșterea puterii
liniare a canalului (0,881 MWt/m la Bruce și 0,931 MWt/m la CANDU 6). Fasciculul cu 28
elemente combustibile ar fi dus la o putere liniară prea r idicată (4,8 kW/m), astfel că se trece
la un diametru mai mic pentru elementele combustibile, rezultat c e dă naștere fasciculului cu
37 elemente (4,16 kW/m la CANDU 6). Astfel, deoarece at ât elementele de la Pickering c ât și
de la CANDU 6 sunt proiectate s ă funcționeze la aceleași puteri liniare, fasciculul de 37 de
elemente produce o putere cu aproape 30% mai mare dec ât fascicului de 28 de elemente
pentru aceeași temperatură în centrul pastilei.
Tabelul 1 .1 Caracteristicile fasciculelor de combustibil pent ru CNE PHWR

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

5

Fig.1.2 Fascicul de combustibil de la NPD – 7 elemente

Fig.1.3 Fascicul de combustibil de la Pickering – 28 elemente

Fig.1.4 Fascicul de combustibil de la Douglas – 19 elemente
În prezent, este în testare un fascicul avansat, numit CANF LEX, cu 43 de elemente, în care
elementele combustibile din inelul intermediar și din cel exterior au diametrul mai mic dec ât
cele din inelul interior și elementul combustibil central. Creșterea numărului de elemente face
ca la aceeași putere a casetei să scadă puterea liniară (de exemplu, pentru o putere a

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

6
fasciculului de 1035 kW se obține o putere liniară de 65 kW/m pentru 37 elemente în timp ce
pentru 43 elemente se obține o putere liniară de 52 kW/m).
Elementul combustibil CANDU este scurt, aproximativ 50 cm, deoarece este dificil de
realizat un fascicul de combustibil unic pentru toată lungimea canalului (6 m pentru CANDU
6). Lungimea acestuia a rezultat din conside rente legate de egalizarea gradului de ardere
longitudinal și din motive practice. Caclulul lungimii optime din punct de vedere al gradului
de ardere longitudinal a fos t făcut pentru NPD care avea o lungime a canalului de 4 m (de
demarcat că la celelalte centrale CANDU lungimea canalului este mai mare). Rezultatele
obținute au indicat faptul că pentru a obține o ardere longitudinală uniformă este necesar să se
înlocuiasc ă 1/8 din zona activă, deci fasciculul să aibă 50 cm. Cum la acea dată Canada lucra
cu sistemul britanic, 50 cm ar fi însemnat 19,685 inci astfel ca 19 ½ inch, adică 49,53 cm,
devine lungimea standar de proiect pentru toți reactorii CANDU. Această dimensiu ne pentru
lungimea elementului combustibil este convenabilă deoarece fasciculul de combustibil
proaspăt poate fi manevrat manual at ât în timpul fabricării c ât și în centrală. Cum la celelalte
reactoare dimensiunea canalului a crescut, pentru uniformizarea arderii longitudinale se
schimbă mai multe fascicule pe canal, de regulă 8 (schemă denumită ”8 bundle shift”).

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

7

2. PROIECTAREA FASCICULULUI DE COMBUSTIBIL PENTRU
REACTORUL NUCLEAR DE TIP CANDU 6
Fasciculul de combustibil pentru reacto rului nuclear de tip CANDU 6 are la bază proiect ul cu
37 elemente combustibile, fiind rezultatul unei str ânsee cooperări intensă între proiectanți ,
experimentatori , fabricanți și utilizatori. Datele provenite de la centralele nucleare
demonstrează faptul că fasciculul este fiabil în operare și își atinge par ametrii de performanță
proiectaț i.
Fasciculul de combustibil pentru reactorul nuclear de tip CANDU 6 este format din 7
componente așa cum este prezentat în figura 2.1. Toate cele 37 de elemente combustibil e
conține pasti le de UO 2 natural , întecuite în Zircaloy -4.

Fig.2 .1 Fascicul de combustibil cu 37 elemente (CANDU 6)
Un strat subțire de grafit (CANLUB) este depus pe suprafața interioară a tecii pentru
protejarea acesteia împotriva deteriorării cauzate de produșii de f isiune. Etanșarea elementului
combustibil se face cu ajutorul dopurilor de capăt , atașate la extremitățile tecii prin
intermediul sudurii prin rezistență . Grilele de capăt sunt sudate de dopuri pentru a susține
elementele într -o configur ație de fascicul. S eparările dintre elemente sunt realizate cu ajutorul
distanțierilor brazați în planul median al tecilor. Distanțarea dintre fascicul și tubul de

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

8
presiune este asigurată de către patinele de sprijin, brazate la ambele capete și în planul
medial al fiecărui element de pe cercul exterior al fasciculului. Ca element de adaos la
brazare, se utilizează beriliul metalic.
Pentru a oferi o bază proiectării combustibilului precum și analizelor de securitate , tinând cont
de simulările de fizica reactorilor, s -au trasa t curbe (anvelope) ale puterii pe fascicul în funcție
de gradul de ardere, curbe ce au fost, ulterior, comparate cu istoriile de putere reale ale
fasciculului în zona activă. Curbele au fost generate astfel înc ât să fie acoperitoare pentru
toate istoriile de putere din zona activă. Puterea maximă pe fascicul, corespunzătoare
anvelopei de supraputere este de circa 900 kW . Din motive de abordare conservativă,
evaluările de securitate pentru reactorul CANDU 6 s -au făcut utiliz ând valoarea de 935 kW
pentru pute rea maximă pe fascicul. Iradierile elementelor combustibile prototip, efectuate la
nivelul anilor ’70 au confirmat faptul că proiectul de combustibil pentru reactorul CANDU 6
permite operarea fără defectare la puteri cu mult peste anvelopa de supraputere.
Combustibilul CANDU este astfel proiectat înc ât să asigure în zona activă un nivel ridicat al
economiei de neutroni. Acest lucru s -a realizat printr -o combinație judicioasă între teaca
subțire și colapsabilă, pastilele de densitate mare și alegerea unor to leranțe interne str ânse, la
nivel de elemente, care să permită asamblarea lor sub formă de fascicule scurte.
Fasciculul de combustibil este proiectat să facă față cerințelor de operare impuse de sistemul
principal de transport al căldurii, de sistemul de m anipulare combustibil, de proiectul
canalului de combustibil, de proiectarea nucleară a reactorului precum și de solicitările
mecanice induse de un se ism.

2.1. Teaca combustibilului

30 de pastile din UO 2, așezate în coloană, sunt închise etanș într -o teacă di n aliaj de zirconiu
(Zircaloy -4), alcătuind, astfel, elementul combustibil. Patinele de sprijin și distanțierii dintre
elemente, ambele confecționate din Zircaloy -4, sunt brazate cu beriliu pe tecile elementelor
combustibile.
Teaca combustibilului trebuie să rețină at ât uraniuul ce se desprinde din pastile c ât și produșii
de fisiune care se generează în timpul iradierii. Prin urmare, caracteristicile tecii trebuie alese
și ținute sub control astfel înc ât:
– Să minimizeze absorbția de neutroni ;
– Să minimizeze c orociunea și acumularea de hidrogen/deuteriu ;
– Să minimizeze efectele deformării induse de interacția pastilă/teacă;
– Să minimizeze efectele cutării longitudinale (”longitudinal ridges”);
– Să minimizeze rezistența la transferul termic;
– Să asigure că fasciculu l poate rezista solicitărilor, pe parcursul operării normale.
La producerea tecilor și a dopurilor de capăt, se utilizează aliajul Zircaloy -4 datorită valorilor
scăzute ale secțiunii de absorbție a neutronilor termici. În condițiile de răcire tipice pentru
reactorul CANDU 6, Zircaloy -4 manifestă o bună rezistență la coroziune și o bună
performanță la absorbția hidrogenului/deuteriului. Proprietățile de material și tratamentele
termice sunt alese astfel înc ât teaca să aibă suficientă ductilitate chiar și la nivele ridicate de
iradiere.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

9
În condițiile de operare din reactorul CANDU 6, teaca este proiectată să colapseze pe coloana
de pastile din UO 2. Teaca subțire ( ~0,4 mm grosime) reține produșii de fisiune, asigur ând,
totodată, o absorbție minimă de neutroni ș i o rezistență scăzută la transferul termic. La
fabricare, toleranța diametrală pentru interstițiul pastilă/teacă este menținută într -un domeniu
pentru:
– A preveni cutarea tecii;
– A facilita încărcarea tecii cu pastile, în procesul de fabricare a elementelor
combustibile;
– A permite o dilatare diametrală limitată a pastilei;
– Pentru a minimiza deformarea tecii.

2.2. Dopuri le de capăt

Închiderea elementului combustibil este realizată de către două dopuri de capăt, sudate prin
rezistență, de extremitățile tecii.
Dopurile de capăt sunt profilate în vederea interfațării cu componentele sistemului de
manipulare combustibil. Prin proiect, dopurile de capăt li se asigură suficientă rezistență
mecanică pentru a face față solicitărilor induse de sistemul de manipulare combu stibil.
Specificația tehnică de material asigură rezistență adecvată și lipsa porozității, condiții
necesare reținerii produșilor de fisiune.
Zircaloy -4 este utilizat la fabricarea dopurilor de capăt datorită calităților sale: secțiune de
absorbție a neutr onilor scăzută, o bună comportare la coroziune și la captarea
hidrogenului/deuteriului, în con diții de răcire de tip CANDU. Detalii ale parametrilor de
proiectare pentru dopurile de capăt sunt prezentate în tabelul 2.1 .

2.3. Grile le de capăt

Grilele de capăt mențin elementele combustibile într -o configurație de fascicul. Pentru
optimizarea geometriei grilelor, au fost luate în considerare următoarele criterii:
a) Grilele fasciculului trebuie să fie suficient de rezistente pentru a menține configurația
fascicululu i în timpul rezidenței în canal. În același timp, ele trebuie să fie suficient de
flexibile pentru a permite dilatarea axială diferită a elementelor precum și o ușoară
deformare globală a fasciculului plasat într -un tub de presiune curbat;
b) Grilele fascicul ului trebuie să fie suficient de rezistente astfel încât să facă față
fenomenului de îmbătrânire indus de vibrațiile elementelor combustibile;
c) Grilele fasciculului trebuie să asigure, pe cât mai multe elemente combustibile, o
distribuție uniformă a solicit ărilor axiale la care este supus fasciculul în timpul
operării. Trebuie evitată concentrarea solicitărilor pe câteva elemente;
d) Grilele de capăt trebuie să fie suficient de subțiri pentru a minimiza cantitatea de
material absorbant de neutroni precum și pen tru a minimiza separarea axială dintre
coloanele de pastile ale fasciculelor aflate în contact.
Cu fasciculul așezat orizontal într -un tub cu diametru interior de 103,38 mm, planul grilei
trebuie să fie perpendicular pe axa tubului, în limita a 1,80 mm. De oarece existența unei

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

10
toleranțe în lungimea elementelor combustibile implică lungimi diferite de elemente, este
permisă o ondulație a grilei. Aceasta nu trebuie să depășească 0,56 mm.
Parametrii geometrici ai grilei sunt prezentați în tabelul 2.1.

2.4. Distanț ierele și patine le

Grilele de capăt asigură separarea elementelor la extremitățile fasciculului, în timp ce
distanțierii dintre elemente au același scop, dar în planul median al fasciculului. Distanțierii au
forma dreptunghiulară, sunt montați astfel înc ât axa lor majoră de simetrie este ușor înclinată
față de axa de simetrie a tecii, oricare doi distanțieri în contact fiind încrucișați (așezați în
forma literei ”X”). Această configurație duce la creșterea suprafeței de contact dintre doi
distanțieri, prec um și la scăderea probabilității de blocare a perechii de distanțieri (”spacer
inter-locking”). Distanțierul dreptunghiular optimizează transferul termic și reduce
amplitudinea de vibrație a elementului. Eroziunea distanțierilor indusă de vibrații nu trebu ie
să depășească limita impusă din considerente termohidraulice. Parametrii geom etrici pentru
distanțieri se regăsesc în tabelul 2.1.
Parametrii g eometrici pentru patine sunt prezentați în tabelul 2.1.
Tabelul 2.1 Date generale privind fasciculul de combus tibil
Material fisionabil Pastile sinterizate din UO 2 natural
Material structural Zircaloy -4
Mod de asamblare Fascicul de 37 elemente sudate în aranjament
circular, cu apendici brazați
Lungime fascicul 495,3 ± 0,76 mm
Masa fascicul (valoare nominala) 24,079 kg
TEACA
Diametru exterior 13,095 ± 0,76 mm
Grosime perete
– Domeniu de valori 0,38 – 0,46 mm
– Valoare medie 0,42 mm
Grosime strat grafit (CANLUB)
– Valoare minimă 0,003 mm
– Valoare medie 0,0050 – 0,0075 mm
DOP DE CAPAT
Etanșarea dop -teacă Sudură prin rezistență
Grosimea g âtuirii (min) 1,50 mm
– În orice alt loc 2,5 mm
DISTANȚIERI
Descriere Distanțieri în planul median al elementului
Modul de prindere pe teacă Brazare
Lungime (valoare minimă) 8,26 mm
Lățime (valoare minimă) 2,29 mm
Grosime
– Valoare minimă (pentru 132 distanțieri) 0,78 mm
– Valoare minimă (pentru 24 distanțieri) 1,90 mm
Număr distanțieri/fascicul 156
PATINE DE SPRIJIN
Descriere 3 plane de patine
Modul de prindere pe teacă Brazare

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

11
Lungime suprafață (valoare minimă) 25,4 mm
Lățime suprafață (valoare minimă) 2,03 mm
Grosime
– În plan central (valoare minimă) 1,02 mm
– Către grila de capăt (valoare minimă) 1,20 mm
Număr patine/fascicul 54
GRILE DE CAPĂT
Modul de prindere pe dopul de capăt Sudură prin rezistență
Diametru (va loare nominală) 90,80 mm
Grosime (valoare minimă) 1,52 mm
ANSAMBLU ELEMENT COMBUSTIBIL
Interstițiu diametral pastilă -teacă (după grafitare
cu strat CANLUB) 0,038 – 0,130 mm
Interstițiul axial corespunzător unui capăt
– Valoare minimă 1,0 mm
– Valoare m aximă 5,5 mm
ANSAMBLU FASCICUL COMBUSTIBIL
Distanța între elemente
– La nivelul distanțierelor (valoare
minimă) 1,55 mm
– La capetele elementelor (valoare
minimă) 1,55 mm
– În orice altă poziție (valoare minimă) 1,32 mm
Distanța element – tub de presiune
(valoare minimă) 1,02 mm
Cote gabaritice de capăt (interfața cu MID)
Cota ”E” (valoare maximă) 96,90 mm
Cota ”B” (valoare minimă) 100,46 mm
Cota H 3,05 – 3,69 mm
Unghiul ” ∝” 72° ± 1°

Fig.2.2 Pozitionare fascicul de combustibil în tubul de presiune

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

12

3. PREZENTARE GENERALĂ ANSYS -CFX
Dinamica Fluidelor Computa țional ă (CFD) este un instrument computerizat pentru simularea
comportamentului sistemelor care implică fluxul de fluid, transferul de căldură și alte procese
fizice conexe. Lucrează prin rezolvare a ecuațiilor fluxului de fluid (într -o formă specială) pe o
regiune de interes, cu condiții specificate (cunoscute) la limita acelei regiuni.
Setul de ecuații care descriu procesele de impuls, transfer de căldură și masă sunt cunoscute
sub numele de ecuați ile Navier -Stokes. Aceste ecuații diferențiale parțiale au fost derivate la
începutul secolului al XIX -lea și nu au o soluție analitică generală cunoscută, dar pot fi
discretizate și rezolvate numeric.
Ecuațiile care descriu alte procese, cum ar fi arderea , pot fi de asemenea rezolvate împreuna
cu ecuațiile Navier -Stokes. Adesea, pentru a obține aceste ecuații suplimentare, se utilizează
un model aproximativ, modelele de turbulențe fiind un exemplu deosebit de important.
Există o serie de metode diferite de soluții utilizate în codurile CFD. Cea mai comună și cea
pe care se bazează CFX este cunoscută ca tehnica volumului finit.
În această tehnică, regiunea de interes este împărțită în subregiuni mici, numite volume de
control. Ecuațiile sunt discretizate și rezolvate iterativ pentru fiecare volum de control. Ca
rezultat, se poate obține o aproximare a valorii fiecărei variabile la anumite puncte din întreg
domeniul. În acest fel, se obține o imagine completă a comportamentului fluxului.
ANSYS CFX este un set de programe CFD care combină un Solver avansat cu capabil itați
puternice de pre și post procesare.
ANSYS CFX este format din patru module software care iau o geometrie și un mesh și
transmit informațiile necesare pentru a efectua o analiză CFD.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

13

Fig.3.1 Etapele realizării unei analize CFD

3.1. SpaceClaim

SpaceClaim este un program de modelare solidă CAD (proiectare asistată de calculator) care
rulează pe Microsoft Windows, dezvoltat de compania SpaceClaim. Această companie are
sediul în Concord, Massachusetts.
Compania SpaceClaim a fost fondată în 2005 pentru a dezvolta programe de modelare solidă
CAD în domeniul ingineriei mecanice. Prima aplicație CAD a fost lansată în 2007 și a folosit
o abordare a modelării solide în care conceptele de proiectare sunt creat e prin tragerea,
mișcarea, umplerea, conbinarea și reutilizarea formelor 3D.
A fost achiziționată de A NSYS în mai 2014, și a fost integrată în versiunile ulterioare ale
pachetelor A NSYS Simulation ca un modelator 3D integrat.
Compania SpaceClaim comerciali zează aplicația SpaceClaim Engineer direct la utilizatorul
final și indirect prin alte canale. SpaceClaim licențiează, de asemenea, programul pentru
producătorii de echipamente originale, cum ar fi ANSYS, Flow International Corporation,
CatalCAD și Ignite Technology, care comercializează o versiune de SpaceClaim pentru
proiectarea de bijuterii.
Tehnologia de modelare direct 3D a SpaceClaim este exprimată în primul r ând prin interfața
sa de utilizator cu patru instrumente : trage, mută, umple și combină :
Instrumentul ”trage ” conține cele mai multe caracteristici de creație găsite în sistemele
tradiționale CAD, determin ând comportamentul prin selectarea de către utilizatori și prin
folosirea ghidurilor secundare ale uneltelor. De exemplu, prin utilizarea instru mentului
”trage ” pe o față , o deplasează, , dar prin folosirea aceluiași instrument pe o muchie, o
rotunjește.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

14
Instrumentul ”muta ” repoziționează componentele și geometria, și poate fi folosit, de
asemenea, pentru a crea șabloane (adesea numite matrice – așezarea într -o ordine
determinată).
Instrumentul ”umple” îndepărtează în primul r ând geometria dintr -o parte prin extinderea
geometriei pentru a umple zona înconjurătoare. Utilizările populare includ eliminarea
muchiilor rotunjite și a găurilor dintr -un m odel. SpaceClaim Engineer include, de asemenea,
instrumente mai specializate pentru pregătirea modelului.
Instrumentul ”combină” efectuează operații booleene și de divizare, cum ar fi îmbinarea și
îndepărtarea părților una de cealaltă. Aceste funcții au fo st dezvoltate în modelarea ACIS de
tip ”kernel ” licențiat la SpaceClaim prin Dassault Systèmes .

3.2. Generarea mesh -ului

Ecuațiile diferențiale parțiale care guvernează fluxul de fluid și transferul de căldură nu sunt,
de obicei, supuse unor soluții analitice , cu excepția cazurilor foarte simple. Prin urmare,
pentru a analiza fluxurile de fluid, domeniile fluxului sunt împărțite în subdomenii mai mici
(formate din primitive geometrice precum hexaedre și tetraedre). Ecuațiile de guvernare sunt
apoi discretizate și rezolvate în interiorul fiecăruia dintre aceste subdomenii. De obicei, una
dintre cele trei metode este folosită pentru a rezolva versiunea aproximativă a sistemului de
ecuații : volume finite, elemente finite sau diferențe finite. Trebuie avut grijă să se asigure o
continuitate adecvată a soluției în interfețele comune dintre două subdomenii, astfel înc ât
soluțiile aproximative din diferite porțiuni să poată fi reunite pentru a oferi o imagine
completă a fluxului de fluid în întreg domeniul. Subdomeniil e sunt adesea numite elemente
sau celule, iar colectarea tuturor elementelor sau celulelor este numită mesh. Originea
termenului ”mesh” vine încă din primele zile de la apariția CFD, c ând cele mai multe analize
au fost de natură 2D. Un exemplu de domeniu d e analiză 2D și mesh -ul său sunt prezentate în
imaginile de mai jos.

Fig.3.2 Exemplu mesh 2D
Acest proces interactiv este prima etapă de preprocesare. Obiectivul este de a prod uce un
mesh ca input pentru pre procesarea fizicii. Înainte ca un mesh să poate fi făcut, este necesară
o geometrie solidă închisă. Geometria și mesh -ul pot fi create în aplicația Meshing sau în
oricare din celelalte instrumente de creare a geometriei/mesh -ului. Pașii de bază implică:

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

15
– Definire geometrie regiune de interes
– Creare regiuni de flux de fluid, regiuni solide și denumirea suprafețelor limită
– Setarea proprietăților pentru mesh
Această etapă de pre procesare este acum foarte automatizată. În CFX, geometria poate fi
importată din cele mai importante pachete CAD utiliz ând un form at nativ, iar mesh -ul
volumelor de control este generat automat.

3.3. Definirea fizicii modelului

Acest proces inte ractiv este a doua etapă de pre procesare și este folosit pentru a crea un input
solicitat de Solver. Fișierele mesh -ului sunt încărcate în pre -procesorul fizicii, CFX -Pre.
Modelele fizice care urmează să fie incluse în simulare sunt selectate. Sunt specificate
proprietățile fluidului și condițiile la limită.

3.4. CFX -Solver

Componenta care rezolvă problema CFD se numește Solver. Ea produce rezultatel e necesare
într-un proces în serie/ non-interactiv. O problemă CFD este rezolvată după cum urmează:
– Ecuațiile diferențial parțiale sunt integrate pe toate volumele de control din regiunea
de interes. Aceasta este echivalentă cu aplicarea unei legi de conser vare de bază (de
exemplu, pentru masă sau impuls ) pentru fiecare volum de control.
– Aceste ecuații integrale sunt convertite într -un sistem de ecuații algebrice prin
generarea unui set de aproximări pentru termenii din ecuațiile integrale.
– Ecuațiile algebri ce sunt rezolvate iterativ.
Este necesară o abordare iterativă din cauza naturii neliniare a ecuațiilor și, pe măsură ce
soluția abordează soluția exactă, se spune că se converge. Pentru fiecare iterație, o eroare este
raportată ca o măsură a conservării g lobale a proprietăților de curgere.
Cât de apropiată este soluția finală față de soluția exactă depinde de o serie de factori,
incluz ând mărimea și forma erorilor finale. Procesele fizice complexe, cum ar fi combustia și
turbulențele, sunt deseori modelate folosind relații empirice. Aproximațiile inerente în aceste
modele contribuie, de asemenea, la diferențele dintre soluția CFD și fluxul real.
Procesul de soluționare nu necesită interacțiune cu utilizatorul și, prin urmare, este, de obicei,
efectuat ca un proces în serie/non -interatctiv .
Solver produce un fișier de rezultate care este apoi trecut la post-procesor.
Setul de ecuații rezolvate de ANSYS CFX sunt ecuațiile nestaționare Navier -Stokes de
conservare. Pentru toate ecuațiile următoare, sunt indicate cantități statice (termodinamice),
dacă nu se specifică altfel.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

16
3.4.1. Ecuații de transport

În această secțiune sunt prezentate ecuația instantanee de conservare a masei, impulsului și
energiei. Pentru fluxurile turbulente, ecuațiile instantanee sunt medii, ceea ce duce la termeni
suplimentari.
Ecuațiile instantanee de conservare a masei, impulsului și energiei pot fi redactate după cum
urmează într -un cadru staționar :

3.4.1.1. Ecua ția continuității

0 Ut 
(3.1)

3.4.1.2. Ecuația impuls ului

MUU U p St    
, (3.2)
unde
2
3TU U U        (3.3)

3.4.1.3. Ecuația energiei totale

 ( ) ( )tot
tot M Eh pUh T U U S Stt           
(3.4)
unde
toth este entalpia totală, în funcție de entalpia statică
( , )h p T :
21
2toth h U
(3.5)
Termenul
U  reprezint ă activitatea datorită solicitărilor v âscoase și se numește
perioadă de act ivitate v âscoasă . Acesta modelează încălzirea internă datorită v âscozității
fluidului și este neglijabilă în majoritatea curgerilor.
Termenul
MUS reprezintă activitatea datorită surselor de impuls externe și este neglijabilă.

3.4.1.4. Ecuați a de stare

Ecuațiile de transport descrise mai sus trebuie să fie completate cu ecuații constitutive de stare
pentru densitate și pentru entalpie pentru a forma un sistem închis. În cel mai general caz,
aceste ecuații de stare au forma :
,pT
(3.6)

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

17

p T p Th h hdh dT dp c dT dpT T p        (3.7)
,ppc c p T
(3.8)
În cazul fluidelor incompresibile, densitatea este constantă și
pc poate fi (cel mult) în fun cție
de temperatură.
spec
(3.9)
pdpdh c dT
(3.10)
(T)ppcc
(3.11)
Pentru un gaz ideal, densitatea e ste calculată după legea gazului ideal și
pc poate fi (cel mult)
în funcție de temperatură.
0abswp
RT
(3.12)
p dh c dT
(3.13)
(T)ppcc
(3.14)
unde
w este masa moleculară,
absp este presiunea absolută și
0R este constanta universală a
gazului.

3.4.2. Transferul de căldură

 ()sEhU h T St   
(3.15)
unde
,h și
 sunt entalpia, densitatea și conductivitatea termică o solidului și
ES este o
sursă de căldură volumetrică opțională.

3.5. Vizualizare rezultate în post -procesor

Post-procesorul este componenta utilizată pentru analiza, vizualizarea și prezentarea
rezultatelor în mod interactiv. Postprocesarea include o rice, de la obținerea valorilor punctuale
până la secvențe animate complexe.
Exemple de c âteva caracteristici importante ale post -procesorului sunt :
 Vizualizarea geometriei și volumelor de control
 Grafice vectoriale care arată direcția și amploarea fluxului
 Vizualizarea variației variabilelor scalare prin domeniu (variabile care au numai
magnitudine, fără direcție, cum ar f i temperatura, presiunea și viteza)

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

18
 Calcule cantitative numerice
 Animații
 Grafice ale variabilelor
 Fișiere de output

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

19

4. CREAREA MODELULUI PENTRU ANALIZĂ
4.1. Crearea geometriei

Geometria a fost realizată folosind programul de modelare 3D ANSYS SpaceClaim în felul
următor:
Fasciculul de combustibil CANDU 6 este format din 37 elemente combustibile. Un element
combustibil are diametrul exterior de 13,1 mm și o grosime de 0. 42 mm.
Folosind comanda ”Circle” se creează un cerc de 13 ,1 mm. Trec ând în modul 3D, aces ta se
transformă într -o suprafață, iar cu ajutorul comenzii Pull se ”trage” de cerc pe o lungime de
492.26 mm (diferența p ână la 495 ,3 mm, lungimea fascicolului, const ând în grosimea celor
două grile de capăt, 2 x 1 ,52 mm) , astfel cre ându-se elementul comb ustibil central.

Fig.4.1 Crearea cercului

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

20

Fig.4.2 Crearea elementului de combustibil
Pentru realizarea primului inel, de 6 elemente, inițial s -a mai creat analog un element
combustibil astfel înc ât distanța între centrele c elor două elemente să fie de 14,65 mm. O altă
modalitate este de a selecta elementul combustibil, iar cu comanda Move se copiază solidul la
distanța dorită, pe o anumită direcție (Nota: pentru a se copia solidul, trebuie ținut apasată
tasta ”Ctrl” în timpul executării, în mod contrar acesta se va muta).

Fig.4.3 Copierea elementului folosind comanda ctrl+Move
Se selectează solidul nou format , și cu ajutorul c omenzii Mov e – Create Patterns, s e cre ează
cele șase elemente față de elemen tul central, reprezent ând primul inel.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

21

Fig.4.4 Multiplicarea elementelor față de creionul central
În mod similar s -a procedat pentru crearea celorlalte două inele.

Fig.4.5 Multiplicarea elementelor pe inelul 2

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

22

Fig.4.6 Multiplicarea elementelor pe inelul 3
Pentru crearea patinelor de sprijin, s e creează un plan transversal pe un element și se schițează
patina la mijlocul acestuia. Patina de sprijin în formă trapezoidală are următoarele dimensiuni:
lungime bază mică de 29 mm, lungime bază mică de 26 mm, lățimea de 2 ,03 mm și înălțimea
de 1,1 mm.

Fig.4.7 Schițarea patinei
Cu ajutorul comenzii Pull – Revolve se transformă suprafaț a într-un solid 3D, creat la
dimensiunile dorite iar folosind comanda ctrl+Move se copiaza simetric celelalte două patine.
Cele trei patine fiind realizate, se poate folosi Move +Pattern pentru a crea restul patinelor (3 x
18 = 54 patine de sprijin) .

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

23
Grila de capăt se construiește cre ând un plan la capătul unui element, folosind instrumentele
de schițare (Sketch). După ce se desenează grila de capăt de grosime 1.52 mm, aceasta se
copiază în capătul celălalt al elementului.
Distanțierele se cre ează copiind o patină de sprijin folosind comanda ctrl+Move To și
modific ând dimensiunile la cele ale unei distanțiere: lungime de 8,3 mm, lațime de 2,3 mm și
grosime de 0, 78 m m (pentru 132 di stanțiere) și 1, 9 mm (pentru 24 distanțiere).
În final, fasciculul de combustibil ar trebui să arate ca în figura următoare:

Fig.4.8 Fascicul de combustibil CANDU6
Un canal de combustibil este format din 12 astfel de fascicule. Prin urmare, se selectează
fasciculul și cu comanda ctrl+Move se creează celelalte fascicule de combustibil.

4.2. Crearea corpului de fluid

Pentru crearea corpului de fluid, se va modela și tubul de presiune în interiorul cărora se află
cele 12 fascicule de combustibil. Tubul de presi une are rolul de a delimita granițele fluidului
ce udă fasciculele de combustibil. Tubul se va prelungi în ambele direcții cu o lungime de cel
puțin 8 -10 diametre pentru a se asigura stabilizarea curgerii în interi orul acestuia.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

24

Fig.4.9 Fasciculele de co mbustibil în interiorul tubului de presiune
Folosind comanda Volume Extract din tab -ul Prepare, se extrage volumul delimitat de tubul
de presiune și fasciculele de combustibil, acest volum reprezent ând corpul de fluid.

Fig.4.10 Corpul de fluid

4.3. Generarea mesh -ului

Metoda pentru generarea mesh -ului se alege în funcție de fizica modelulului, geometrie și nu
în ultimul r ând de resursele pc -ului. Mesh -ul poate fi generat prin una sau o combinație de
metode. Avanta jul în alegerea tetraedrelor față de hexaedre este că se poate genera mesh -ul
pentru geometrii complexe mult mai ușor. Prin urmare, o calitate bună a mesh -ului poate fi
dobândită folosind tetraedre. Alegerea tipului de element corespunzător va îmbunătăți
eficiența generării mesh -ului.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

25
Procesul generă rii mesh -ului se alege Patch Conforming, cu o abordare ”de jos în sus”
(muchii →fețe→volum). Această abordare este bună pentru o calitate bună a geometriilor.
Dimensionarea este definită de controlul global sau/și local. De asemenea, este com patibilă cu
inflații.
Setările folosite pentru generarea mesh -ului se regăsesc în figura 4.11.

Fig.4.11 Setări mesh
Înainte de ge nerarea mesh -ului se definesc , de asemenea, granițele fluidului , cu ajutorul
comenzii Named Selection.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

26
Acest lucru ne va ajuta la pre procesa re (CFX -Pre) c ând se vor introduce datele de intrare (de
exemplu, temperatură și debit la intrare, presiune la ieșire, etc).
Aceste granițe sunt reprezentate de zonele următoare: intrarea în tubul de presiune (inlet),
ieșirea din tubul de presiune (outlet) , peretele exterior volumului de fluid (wall_ext), peretele
fiecărui inel pentru fiecare fascicul în parte și grilele de capăt.

Fig.4.12 Inlet și Outlet

Fig.4.13 Wall_int

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

27

Fig.4.14 Wall_ext

Fig.4.15 wall elemente de combustibil
După ce granițele flu idului sunt definite, mesh -ul poate fi realizat prin comanda ”Generate
Mesh”. Rezultatul este prezentat în figurile următoare.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

28

Fig.4.16 Rezultat mesh – vedere iso

Fig.4.17 Zoom mesh – zona elementelor de combustibil

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

29

5. RULAREA CODULUI DE CALCUL ANSYS -CFX
5.1. Setările modelului

CFX -Pre este preprocesorul de definire a fizicii pentru ANSYS CFX. Se importa mesh -ul
geometriei create și se selectează modelul fizic pentru a fi utilizat în simularea CFD. Fișierele
produse de CFX -Pre sunt trimise la CFX -Solver. Tipu rile de analiză puse la dispoziție de
către ANSYS CFX sunt Steady State și Transient.
Simulările Steady State, prin definiție, sunt cele ale căror caracteristici nu se modifică în timp
și ale căror condiții stabile se presupune că au fost atinse după un in terval de timp relativ lung.
Prin urmare, acestea nu necesită informații în timp real pentru a le descrie.
Simulările de tip tranzient necesită informații în timp real pentru a determina intervalele de
timp la care CFX -Solver calculează domeniul de curgere . Comportamentul tranzitoriu poate fi
cauzat de schimbarea inițială a condițiilor la limită a curgerii, ca la pornire, sau poate fi în
mod inerent legat de caracteristicile curgerii, astfel înc ât nici o condiție de echilibru nu este
niciodată atinsă, chiar dacă toate celelalte aspecte ale condițiilor de curgere sunt neschimbate.
În cazul de față se efectuează o analiză de tip Steady State.
În ceea ce privește materialele folosite, CFX -Pre oferă o listă extinsă de materiale de
bibliotecă. Proprietățile pentr u acestea au fost deja definite și cunoscute de CFX -Pre. Aceste
materiale pot fi folosite direct în simulare sau ca un șablon pentru definirea unor materiale
personalizate cu proprietăți similare. În căsuța Outline, se dă click dreapta pe Materials și se
selectează Import Library Data pentru a importa materiale din biblioteca ANSYS.
Homogeneous Binary Mixture (HBM) se folosește pentru a defini limita de fază dintre două
materiale echivalente din punct de vedere chimic în diferite stări termodinamice. De exe mplu,
se poate defini curba de presiune a vaporilor între apă și abur. Curba de presiune a vaporilor
este folosită de Solver pentru a determina proprietățile la saturație a celor două materiale. Un
HBM este necesar pentru rularea modelului de schimbare a f azei la echilibru. În plus, poate fi
utilizat cu modelul multi fazic Eulerian -Eulerian sau cu modelul Lagrangian de evaporare a
particulelor. În acest caz se folosește modelul Eulerian. În căsuța Basic Settings se specifică
cele două materiale care formează amestecul iar în căsuța Saturation Properties, se specifică
proprietățile la saturație.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

30
Deoarece nu se analizează influența neutronilor asupra fluidului, în analiză se poate folosi ca
fluid apa, în detrimentul apei grele.
Baza de date IAPWS -IF97 reprezint ă o ecuație de stare exactă pentru proprietăți apă -abur.
Această bază de date folosește formulări pentru cinci regiuni termodinamice distincte pentru
apă și abur, și anume:
 apă subrăcită (1)
 apă supercritică/abur supercritic (2)
 abur supraîncălzit (3)
 curba de saturație (4)
 abur la temperaturi foarte ridicate (5)

Fig.5.1 Regiuni IAPWS -IF97
Starea de referință pentru biblioteca IAPWS este punctul triplu al apei. Energia internă,
entropia și entalpia sunt 0 în acest punct.
273.16 , 611.657 , 0 / , 0 / / , 0 /ref ref liquid liquid liquidT K p Pa u J kg s J kg K h J kg    

În ANS YS CFX, ecuația de stare analitică este utilizată pentru a transfera proprietățile într -o
formă tabelară, care poate fi evaluată eficient într -un calcul CFD. Aceste tabele IAPWS sunt
definite în termeni de presiune și temperatură, care sunt apoi inversate pentru a evalua stările
în ceea ce privește alte combinații de proprietăți (cum ar fi presiune/entalpie sau
entropie/entalpie).Prin urmare, la dezvoltarea bazei de date IAPWS pentru ANSYS CFX,
proprietățile trebuie evaluate ca funcții de presiune și temper atură. Regiunea 4 implică date de
saturație care utilizează numai informații de presiune sau temperatură.
Prin urmare, se dă click -dreapta pe Materials, Import Library Data, și apăs ând butonul
Browse, se adaugă din biblioteca ANSYS fișierul MATERIALS -iapws .ccl. De aici se alege
Steam4vl, ce reprezintă, de fapt, un HBM apă -abur pentru re giunea 4 a bazei de date IAPWS.
Printr -un dublu click pe Default Domain se deschide o fereastră cu mai multe tab-uri, în care
se definesc setările modelului.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

31
În tab -ul Basic Settings se adaugă cele două materiale ce fac parte din HBM , și anume:
Steam4vl (apă în stare lichidă) modelat ca fluid continuu și Steam4v (vapori de apă)
considerat fluidul dispersat .
Sunt disponibile două submodele diferite pentru modelul multifa zic Eulerian -Eulerian:
modelul omogen și modelul cu transfer între fluide (neomogen). În acest caz, modelul preferat
este cel neomogen.

Fig.5.2 Fluid Models
Pentru faza lichidă transferul de căldură este prin energie termică (Thermal Energy) iar
modelul de turbulență folosit este modelul k -Epsilon. Acest model a fost implementat în
majoritatea codurilor CFD cu scop general și este considerat modelul standard industrial. S -a
dovedit a fi stabil și robust din punct de vedere numeric și are un regim bine sta bilit de
capacitate predictivă. Pentru simulări cu scop general, modelul oferă un compromis bun în
ceea ce privește precizia și robustețea. În cadrul modelului CFX, acest model de turbulență
folosește abordarea Scalable pentru a îmbunătăți robustețea și pr ecizia atunci c ând mesh -ul la
perete este foarte fin.
Pentru vapori modelul de transfer de căldură este Saturation Temperature iar pentru turbulență
se folosește modelul Dispersed Phase Zero Equation, singurul model valabil pentru fluidul
dispersat atunci când fluidul continuu este setat cu un tip de turbulență (care nu e laminar).
De asemenea, se ține cont și de accelerația gravitațională și diferența de densitate, pr in
activarea modelului Bouyancy.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

32

Fig.5.3 Fluid Specific Models
Pentru transferul între faze, Particle Model presupune ca una dintre faze să fie continuă (în
cazul nostru lichid) iar cealaltă dispersată (vapori).

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

33
Pentru o particulă de formă simplă, ime rsată într -un fluid Newtonian și care nu se rotește în
raport cu fluxul liber înconjurator, coeficientul de tracțiune, C D, depinde numai de numărul de
particule Reynolds. Funcția poate fi determinată experimental și este cunoscuta ca și curba de
tracțiune.
Pentru acesta se folosește corelația Schiller Naumann.
 0.687 241 0.15ReReDC
(5.1)
CFX modifică acest lucru pentru a asigura comportamentul corect de limitare în regimul
inerțial prin:
 0.687 24max 1 0.15Re ,0.44ReDC
(5.2)
Pentru curgerile în care există o fază dispersată, particulele mari din această fază ti nd să
crească turbulența în faza continuă datorită prezenței jetului în spatele particulelor. Aceasta se
numește turbulență indusă de particule. Modelul Sato Enhanced Eddy Viscosity poate fi
folosit pentru a modela acest efect.
Pentru transferul de masă se selectează Phase Change, model ce descrie schimbarea de fază
indusă de transferul de căldură interfazic.
Este esențial să se ia în considerare procesele de transfer termic pentru fiecare fază. Prin
urmare, modelul Two Resistance pentru transferul de căld ură interfazic trebuie utilizat în
combinație cu modelul Thermal Phase Change.
Pentru evaporarea lichidului în vapori, se folosește legea lui Raoult pentru modelul de
echilibru interfacial. Pentru faza continuă ar trebui să se folosească modelul Ranz Marsh all în
timp ce pentru faza dispersată modelul Zero Resistance.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

34

Fig.5.4 Fluid Pair Models

5.2. Condiții la limită

După ce setările modelului sunt făcute, este momentul pentru crearea condițiilor la limită .
Acestea se creează d ând click dreapta pe Default Dom ain – Insert – Boundary.
În această ana liză, condiițle la limită sunt următoarele :
– Inlet (intrarea în canal ul de combustibil )
– Outlet (ieșirea din canal ul de combustibil )
– Wall_ext (zona de contact a fluidului cu tubul de presiune)
– Wall_int (zona de contact a fluidului cu grila de capăt)
– n1_center (zona de contact a fluidului cu inelul central)
– n1_inner (zona de contact a fluidului cu inelul interior)

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

35
– n1_interm (zona de contact a fluidului cu inelul intermediar)
– n1_outer (zona de contact a fluidului cu inelu l exterior),
unde n1 este numărul fasciculului (analog pentru celelalte fascicule n2, n3, etc).

5.2.1. Inlet

Regimul de curgere ales este unul subsonic, cu o intensitate medie a turbulenței (5%). Agentul
de răcire intră în canal cu un debit de 23.1 kg/s și temp eratura de 266 °C, această temperatură
fiind temperatura medie în colectorii de intrare ai reactorului nuclear de tip CANDU6 de la
Cernavodă.
În tab -ul Fluid Values se introduc fracțiile de volum pentru apă și abur la intrare și anume 1,
respectiv 0.

Fig.5.5 Setări inlet

5.2.2. Outlet

La ieșire din canal se alege pentru regimul de curgere subsonic o presiune de 100 bar
(presiunea din colectorii de ieșire ai reactorului nuclear de tip CANDU6 de la Cernavodă).

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

36

Fig.5.6 Setări outlet

5.2.3. Wall exterior și wall inte rior

În ceea ce privește peretele exterior, acesta se consideră unul neted, fără rugozități, cu un
transfer de căldură adiabatic. De asemenea, în tab -ul Fluid Values, se introduc valorile inițiale
pentru fracțiile de volum ale celor două faze, apă și abur i (1, respectiv 0).

Fig.5.7 Setări wall_ext
Analog se fac setările și pentru Wall_int (grilele de capăt).

5.2.4. Wall creion central și inele

Elementele de combustibil se vor defini la fel ca și în cazul pereților exterior și interior, tip
Wall.
În schimb, ac estea vor fi sursa de căldură în canal, prin urmare, la Heat transfer se alege Heat
Flux și se introduc valori ale fluxului.
Pentru puterea termică a canalului de combustibil a fost aleasă valoarea de 4 ,5 MW,
corespunzătoare canalului de combustibil 3G de la CNE Cernavodă.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

37
În figura ce urmează este prezentat un exemplu pentru primul fascicul, setările pentru celelalte
făcându-se în mod similar.

Fig.5.8 Exemplu setări pentru fasciculul 1
Valorile fluxului termic pentru fiecare inel al fiecărui fascicul de combustibil s -au calculat
împărțind puterea la aria de curgere, țin ând cont at ât de distribuția de putere pe canal c ât și de
distribuția de putere pe inelele fasciculului de combustibil.
Tabelul 5.1 Distribuția puterii pe inele
Inel exterior 1.31
Inel intermediar 0.9206
Inel interior 0.8051
Creion central 0.7613

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

38

Tabelul 4.2 Distribuția de putere pe fascicule

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

39
Tabelul 5.3 Valorile f luxul ui termic corespunzătoare unui canal de combustibil de 4,5 MW
Nr.
Fascicul Flux termic (W/m2)
Creion central Inel Interior Inel intermediar Inel exterior
1 101394 107228 122611 150633
2 250271 264670 302640 371807
3 373711 395212 451909 555191
4 463719 490399 560751 688909
5 527897 558269 638358 784253
6 562843 595225 680616 836169
7 562459 594819 680152 835599
8 527524 557874 637907 783698
9 463336 489993 560288 688339
10 373327 394806 451445 554621
11 250271 264670 602640 371807
12 101394 107228 122611 150633

5.3. Solver Control

Un calcul Steady -State necesită în general între 50 și 100 de iterații pentru a realiza
convergența.
Pentru analize de tip Steady State, CFX -Solver aplică un pas de timp fals ca mijloc de sub –
relaxare a ecuațiilor pe măsură ce acestea iterează spre soluția finală. Deoarece formularea
Solver -ului este robustă și complet implicită, poate fi, de obicei, selectată o scală de timp
relativ mare, astfel înc ât convergența să fie c ât mai rapid posibilă.
CFX pune la dispoziție funcția Auto Timescale. Aceasta este o opțiune de control a acestui
timp, care utilizează o scală de timp fizică calculată intern, bazată pe condițiile la limită, tipul
curgerii și geometrie.
Reziduul este o măsură a dezechilibrului local al fiecărei ecuații. Este cea mai importantă
măsura a convergenței deoarece se referă direct la faptul că ecuațiile au fost rezolvate cu
exactitate.
Deși nivelul necesar de convergență depinde de model și de cerințele utilizatorului, pentru
această analiză s -a ales valoarea implicită, 0 .0001, fiind suficientă pentru multe aplicații
inginerești.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

40

6. POSTPROCESAREA DATELOR
CFD-Post este un postprocesor flexibil, de ultimă oră. Acesta este conceput pentru a facilita
vizualizarea și analiza cantitativă a rezultatelor simulărilor CFD. Software -ul oferă
utilizatorului tot ce are nevoie pentru a vizualiza și analiza rezultatele. Î n cadrul unei interfețe
de utilizator moderne și intuitive, ANSYS CFD -Post nu stabilește limite ale creativității
atunci c ând generează imagini puternice pentru a ilustra fluxul în orice nivel dorit de detaliu.
De la grafice vectoriale și linii de curent l a vortexuri și animații de flux, CFD -Post pune la
dispoziție instrumente pentru a produce vizualizări pătrunzătoare ale soluțiilor, inclusiv
imagini 3D.
În cele ce urmează, sunt prezentate r ezultatele simulării .
În figura 6.1 se observă pierderea de presiu ne în lungul canalului de combustibil. Presiunea la
ieșirea din canal a fost setată ca dată de intrare la 100 bar, iar presiunea la intrare a fost
calculată de către Solver.

Fig.6.1 Pierderea de presiune pe canalul de combustibil – vizualizare 3D

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

41

Fig.6.2 Pierderea de presiune pe canalul de combustibil – reprezentare grafică

Fig.6.3 Creșterea de temperatură în canal

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

42

Fig.6.4 Temperaturi Inlet și Outlet
În tabelul 6.1 sunt prezentate valorile medii ale temperaturilor la intrarea și ieșirea din fiecare
fascicul de combustibil iar în tabelul 6.2 se regăsesc valorile maxime ale temperaturii în
anumite zone specifice ale canalului.
Tabelul 6.1 Temperaturi medii la intrare și ieșire fascicule de combustibil
Nr.
Fascicul Temperatură [K]
Intrare Ieșire
1 539,15 540,5
2 540,5 543,4
3 543,4 547,5
4 547,5 552,4
5 552,4 558,3
6 558,3 564,2
7 564,2 570
8 570 575,4
9 575,4 579,9
10 579,9 583,4
11 583,4 585,15
12 585,15 585,15
Tabelul 6.2 Temperaturi maxime în canalul de combustibil
Zonă Temperatură [K]
Creion central 586
Inel interior 586,7
Inel intermediar 587,39
Inel exterior 587,69
Grile de capăt 587,67
Wall exterior 587,68

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

43
Aceste maximele de temperatură (hot spot) sunt atinse în anumite zone în care curgerea nu
este foarte bună iar transferul de căldură este nefavorabil (de exemplu, în zonele patinelor,
distanțierilor sau grilelor de capăt).
Din pu nct de vedere al securități i nucleare, este foarte important de știut distribuția
supraîncălzirii la contactul agentului de răcire cu elementele str ucturale. Aceste puncte
fierbinți pot fi găsite în diferite locații, unde ulterior ar putea apărea fluxul de căldură critic.

Fig.6.5 Temperatura apei în lungul canalului la contactul cu creionul central

Fig.6.6 Temperatura apei în lungul canalului la c ontactul cu inelul interior

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

44

Fig.6.7 Temperatura apei la contactul cu inelul intermediar

Fig.6.8 Temperatura apei la contactul cu inelul exterior

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

45

Fig.6.9 Temperatura apei în lungul canalului de combustibil la contactul cu tubul de presiune

Fig.6.10 Fractia de volum de vapori în lungul canalului

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

46

Fig.6.11 Fracția de volum de vapori – vizualizare 3D

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

47

7. CONCLUZII
Prin această lucrare s -a prezentat un studiu termohidraulic al unui canal de combustibil
specific unui reactor nuclear de tip CANDU6 folosi nd codul de calcul ANSYS. Motivul
acestui studiu a fost analiza variației de temperatură în lungul canalului de combustibil.
Pentru a realiza acest lucru, inițial s -a creat în SpaceClaim, la scară, o geometrie ce constă în
cele 12 fascicule de combustibil . După ce s -a creat și tubul de presiune pentru a delimita
granițele fluidului ce udă fasciculele de combustibil, s -a extras volumul din interior ce joacă
rolui agentului de răcire. Astfel, s -a realizat modelul dorit pentru analiză.
Ca agent de răcire s -a folosit apa, cu o temperatura de intrare de 266 °C, un debit masic de
23,1 kg/s și o presiune la ieșire de 100 de bar. Elementelor de combustibil le -au fost atribuite
fluxuri termice specifice unui canal de combustibil de 4,5 MW, corespunzătoare canalului de
combustibil 3G de la CNE Cernavodă, țin ând cont de distribuția de putere at ât pe fascicule de
combustibil c ât și pe inele.
S-a observat o creștere a temperaturii în lungul canalului de la 266 °C până la aproximativ
312 °C.
Temperatura de saturație s -a atins unde a fost de așteptat, spre ultimul fascicul de combustibil.
Prin observarea variației de temperatură în canalul de combustibil cât și a zonei în care apare
saturația putem se poate valida acest model deoarece rezultatele sunt similare cu r ezultatel e
unui studiu realizat anterior, în cadrul facultății.
De asemenea, s -a observat ca elementele structurale influențează variației temperaturii
agentului de răcire, în sensul că acestea cauzează turbulențe c are duc la apariția turbionurilor
în anumite zone. Prin urmare, durata pe care fluidul o petrece în acele zone crește duc ând la
creșterea temperaturii și crearea punctelor fierbinți.
Ca o concluzie generală, rezultatele confirmă potențialul considerabil al modelului Eulerian –
Eulerian de curgere bifazică pentru simularea curgerii agentului de răcire într -un canal de
combustibil al unui reactor nuclear de tip CANDU6, perimiț ând identificarea regiunilor
critice, care ulterior ar putea conduce la o posibilă deteriorare a combustibilului.
Această analiză este un una simplificată, mode larea apariției fierberii fiind una foarte
complexă. De exemplu, este necesar a se modela fierberea la perete țin ând cont de mai mulți

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

48
factori. Trebuie ținut cont de influența diametrului bulelor de vapori ce se formează, fracția
ariei maxime în care b ulele de vapori au o influență, etc. Acest lucru necesită un timp
îndelungat d e studiu, pregătire și rularea mai multor cazuri prin analize de sensitivitate pentru
ca, în final, să se ajungă la un rezultat c ât mai exact.

Analiza termohidraulică a unui canal de combustibil CANDU 6

49

8. BIBLIOGRAFIE
1. ANSYS CFX Introduction , 2017
2. ANSYS CFX -Pre User ’s Guide , 2017
3. ANSYS CFX Reference Guide, 2017
4. ANSYS CFX -Solver Manager User’s Guide ,2017
5. ANSYS CFX -Solver Modeling Guide , 2013
6. ANSYS CFX -Solver Theory Guide , 2011
7. ANSYS CFX Tutorials, 2017
8. ANSYS Mes hing-User ’s Guide, 201 7
9. ANSYS Multiphase Flow Modeling Courses, 16.0 Release
10. ANSYS Workshop 7: RPI Wall Boiling and Thermal Phase Change
11. CNE Cernavodă – GB-001 (c urs intern)
12. D. Dupleac – ”Termohidraulica instalațiilor nucleare (note de curs)
13. D. Dupleac, I . Prisecaru – ”Termohidraulica reactorilor nucleari de tip CANDU”, Editura
Proxima, București, 2005
14. https://canteach.candu.org/Image%20Library1/37000/fig005_NPD_7_long.jpg
15. https://canteach.candu.org/Image%20Library1/37000/fig008_Douglas_Point_19%20el_wire_
wrap.jpg
16. https://canteach.candu.org/Image%20Library1/37000/fig107_28_el_Pickering_production_bu
ndle.jpg
17. https://en.wikipedia.org/wiki/SpaceClaim
18. https://www.cfd -online.com/Wiki/Meshing
19. http://www.spaceclaim.com/en/Support/Tutorials/Essentials.aspx
20. I. Prise caru, D. Dupleac – ”Sistemele centralelor nuclearoelectrice CANDU”, Editura
Universitatea ”Carol Davila”, 2013
21. Raport Final de Securitate CNE Cernavodă, Capitolul 4
22. SpaceClaim User`s Guide, 2007
23. W. Wagner, A. Kruse : “The Industrial Standard IAPWS -IF97: Pro perties of Water and
Steam”, Springer, Berlin, 1998