Kim, Do-Sam;Kim, Tag-Gyeom;Shin, Bum-Shick;Lee, Kwang-Ho
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.32
no.1
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pp.1-10
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2020
The application of multiphase flows is increasingly being applied to analyze phenomena such as single phase flows where the fluid boundary changes continuously over time or the problem of mixing a liquid phase and a gas phase. In particular, multiphase flow models that take into account incompressible Newtonian fluids for liquid and gas are often applied to solve the problems of the free water surface such as wave fields. In general, multi-phase flow models require time-based the surface tracking of each fluid's phase boundary, which determines the accuracy of the final calculation of the model. This study evaluates the advection performance of representative VOF-type boundary tracking techniques applied to various CFD numerical codes. The effectiveness of the FCT method to control the numerical flux to minimize the numerical diffusion in the conventional VOF-type boundary tracking method and advection calculation was mainly evaluated. In addition, the possibility of tracking performance of free surface using CIP method (Yabe and Aoki, 1991) was also investigated. Numerical results show that the FCT-VOF method introducing an anti-diffusive flux to precent excessive diffusion is superior to other methods under the confined conditions in this study. The results from this study are expected to be used as an important basic data in selecting free surface tracking techniques applied to various numerical codes.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.35
no.7
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pp.723-733
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2011
A numerical method of the CSF(Continuum Surface Force) model is presented for the calculation of the surface tension force and implemented in an in-house solution code(PowerCFD). The present method(code) employs an unstructured cell-centered method based on a conservative pressure-based finite-volume method with volume capturing method(CICSAM) in a volume of fluid(VOF) scheme for phase interface capturing. The application of the present method to a 2-D liquid drop problem is illustrated by an equilibrium and nonequilibrium oscillating drop calculation. It is found that the present method simulates efficiently and accurately surface tension-dominant multiphase flows.
A Lagrangian approach based computational fluid dynamics (CFD) was used to simulate large and/or sharp deformations and fragmentations of interfaces, including free surfaces, through tracing each particle with physical quantities. According to the concept of the particle-based CFD method, it is possible to apply it to both fluid particles and solid particles such as sand, gravel, and rock. However, the presence of more than two different phases in the same domain can make it complicated to calculate the interaction between different phases. In order to solve multiphase problems, particle interaction models for multiphase problems, including surface tension, buoyancy-correction, and interface boundary condition models, were newly adopted into the moving particle semi-implicit (MPS) method. The newly developed MPS method was used to simulate a typical validation problem involving dam breaking. Because the soil and other particles, excluding the water, may have different viscosities, various viscosity coefficients were applied in the simulations for validation. The newly developed and validated MPS method was used to simulate the mobile beds induced by broken dam flows. The effects of the viscosity on soil particles were also investigated.
Turbulent jet discharges in subcooled water pools are essential for safety systems in nuclear power plants, specifically in the pressure suppression pool of boiling water reactors and In-containment Refueling Water Storage Tank of advanced pressurized water reactors. The gas and liquid flow in these systems is investigated using multiphase flow analysis. This field has been extensively examined using a combination of experiments, theoretical models, and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. ANSYS CFX offers two approaches to model multiphase flow behavior. The non-homogeneous Eulerian-Eulerian Model has been used in this work; it computes global information and is more convenient to study interpenetrated fluids. This study utilized the Large Eddy Simulation Model as the turbulence model, as it is better suited for non-stationary and buoyant flows. The CFD results of this study were validated with experimental data and theoretical results previously obtained. The figures of merit dimensionless penetration length and the dimensionless buoyancy length show good agreement with the experimental measurements. Correlations for these variables were obtained as a function of dimensionless numbers to give generality using only initial boundary conditions. CFD numerical model developed in this research has the capability to simulate the behavior of non-condensable gases discharged in water.
In Lead-based reactor (LBR) severe accident, the meltdown and migration inside the reactor core will lead to fuel fragment concentration, which may further cause re-criticality and even core disintegration. Accurately predicting the migration and solidification behavior of melt in LBR severe accidents is of prime importance for safety analysis of LBR. In this study, the Moving Particle Semi-implicit (MPS) method is validated and used to simulate the migration and solidification behavior. Two main surface tension models are validated and compared. Meanwhile, the MPS method is validated by the L-plate solidification test. Based on the improved MPS method, the migration and solidification behavior of melt in LBR severe accident was studied furthermore. In the Pb-Bi coolant, the melt flows upward due to density difference. The migration and solidification behavior are greatly affected by the surface tension and viscous resistance varying with enthalpy. The whole movement process can be divided into three stages depending on the change in velocity. The heat transfer of core melt is determined jointly by two heat transfer modes: flow heat transfer and solid conductivity. Generally, the research results indicate that the MPS method has unique advantage in studying the migration and solidification behavior in LBR severe accident.
The volume of fluid (VOF) model of FLUENT and the lattice Boltzmann method (LBM) are used to simulate two-phase flows. Both methods are validated for static and dynamic bubble test cases and then compared to experimental results. The VOF method does not reduce the spurious currents of the static droplet test and does not satisfy the Laplace law for small droplets at the acceptable level, as compared with the LBM. For single bubble flows, simulations are executed for various Eotvos numbers, Morton numbers and Reynolds numbers, and the results of both methods agree well with the experiments in the case of low Eotvos numbers. For high Eotvos numbers, the VOF results deviated from the experiments. For multiple bubbles, the bubble flow characteristics are related by the wake of the leading bubble. The coaxial and oblique coalescence of the bubbles are simulated successfully and the subsequent results are presented. In conclusion, the LBM performs better than the VOF method.
High fidelity nuclear reactor fuel assembly simulation using CFD method is an effective way for the structure design and optimization. The validated models and user practice guidelines play critical roles in achieving reliable results in CFD simulations. In this paper, the international benchmark MATiS-H is studied carefully and the best user practice guideline is achieved for the rod bundles simulation. Then a 5 × 5 rod bundles model in the advanced pressurized water reactor (PWR) is established and the detailed three-dimensional thermal-hydraulic characteristics are investigated. The influence of spacer grids and mixing vanes on the flow and hear transfer in rod bundles is revealed. As the coolant flows through the spacer grids and mixing vanes in the rod bundles, the drastic lateral flow would be induced and the pressure drop increases significantly. In addition, the heat transfer is enhanced remarkably due to the strong mixing effects. The calculation results could provide meaningful guidelines for the design of advanced PWR fuel assembly.
Nazemi, E.;Feghhi, S.A.H.;Roshani, G.H.;Gholipour Peyvandi, R.;Setayeshi, S.
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.1
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pp.64-71
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2016
Void fraction is an important parameter in the oil industry. This quantity is necessary for volume rate measurement in multiphase flows. In this study, the void fraction percentage was estimated precisely, independent of the flow regime in gas-liquid two-phase flows by using ${\gamma}-ray$ attenuation and a multilayer perceptron neural network. In all previous studies that implemented a multibeam ${\gamma}-ray$ attenuation technique to determine void fraction independent of the flow regime in two-phase flows, three or more detectors were used while in this study just two NaI detectors were used. Using fewer detectors is of advantage in industrial nuclear gauges because of reduced expense and improved simplicity. In this work, an artificial neural network is also implemented to predict the void fraction percentage independent of the flow regime. To do this, a multilayer perceptron neural network is used for developing the artificial neural network model in MATLAB. The required data for training and testing the network in three different regimes (annular, stratified, and bubbly) were obtained using an experimental setup. Using the technique developed in this work, void fraction percentages were predicted with mean relative error of <1.4%.
A temperature equation which is derived from an enthalpy transport equation by using an assumption of a constant specific heat is very attractive for analyses of heat and fluid flows. It can be used for an analysis of a solid-fluid conjugate heat transfer, and it does not need a numerical method to find temperature from a temperature-enthalpy relation. But its application is limited because of the assumption. A new method is derived in this study, which is a temperature-explicit formulation of the energy equation. The enthalpy form of the energy equation is used in the method. But the final discrete form of the equation is expressed with temperature. It can be used for a solid-fluid conjugate heat transfer and multiphase flows. It is found by numerical tests that it is very efficient and as accurate as the standard enthalpy formulation.
The present study conducted computational simulation for multiphase flow in the flame spray coating process with commercially available Ni-Cr powders. The flows in a flame spray gun is characterized by very complex phenomena including combustion, turbulent flows, and convective and radiative heat transfer. In this study, we used a commercial computational fluid dynamics (CFD) code of Fluent (ver. 6.3.26) to predict gas dynamics involving combustion, gas and particle temperature distributions, and multi-dimensional particle trajectories with the use of the discrete phase model (DPM). We also examined the effect of particle size on the flame spray process. It was found that particle velocity and gas temperature decreased rapidly in the radial direction, and they were substantially affected by the particle size.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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