The wall friction correlations of oscillatory natural circulation loops are highly loop-specific, making it difficult to perform 1-D system simulations before obtaining specific experimental data. To better predict the friction characteristics, the nonlinear dynamics of a toroidal single-phase natural circulation loop were numerically investigated, and the transition effect was considered. The k-kL-ω transitional turbulence and k-ω SST turbulence models were used to compute the flow characteristics of the loop under different heating powers varying from 0.48 to 1.0 W/cm2, and the results of both models were compared with previous experiments. The mass flow rates and friction factors predicted by the k-kL-ω model showed a better agreement with the experimental data than the results of the k-ω SST model. The oscillation frequencies calculated using both models agreed well with the experimental data. The k-kL-ω transitional turbulence model provided better friction-factor predictions in oscillatory natural circulation loops because it can reproduce the temporal and spatial variation of the wall shear stress more accurately by capturing the movement of laminar, transition turbulent zones inside unstable natural circulation loops. This study shows that transition effects are a possible explanation for the highly loop-specific friction correlations observed in various oscillatory natural circulation loops.
Lim, Sun Taek;Kim, Koung Moon;Kim, Haeseong;Jerng, Dong-Wook;Ahn, Ho Seon
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.12
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pp.3918-3929
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2021
In this study, we experimentally investigate of a two-phase natural circulation loop that functions as a passive containment cooling system (PCCS). The experimental apparatus comprises two loops: a hot loop, for simulating containment under severe accidents, and a natural circulation loop, for simulating the PCCS. The experiment is conducted by controlling the pressure and inlet temperature of the hot loop in the range of 0.59-0.69 MPa (abs) and 119.6-158.8 ℃, respectively. The heat balance of the hot loop is established and compared with a natural circulation loop to assess the thermal reliability of the experimental apparatus, and an additional system is installed to measure the vapor mass flow rate. Furthermore, the thermal-hydraulic characteristics are considered in terms of a temperature, mass flow rate, heat transfer coefficient (HTC), etc. The flow rate of the natural circulation loop is induced primarily by flashing, and a distortion is observed in the local HTC because of the fully develop as well as subcooled boiling. As a result, we present the amount of heat capacity that the PCCS can passively remove according to the experimental conditions and compared the heat transfer performance using Chen's and Dittus-Boelter correlation.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.23
no.5
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pp.43-52
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2019
Cryogenic propellant rockets utilize a natural circulation loop of cryogenic fluid to cool the engine inlet temperature before launch. The geometric information about the circulation system, such as length and diameter of the pipes and the heat input to the system, defines the mass flow rate of the natural circulation loop. We performed experiments to verify the natural circulation mass flow rate and compared the results with the analytical results. The comparison of the mass flow rate between experiments and numerical simulations showed a 12% offset. We also included a prediction of the natural circulation flow rate in the low-gravity section and in the acceleration section in the upper stage of the launch vehicle. The oxygen tank should have 100 kPa(a) of pressure in the acceleration section to maintain a high flow rate for the natural circulation loop. In the low-gravity section, there should be an optimal tank pressure that leads to the maximum natural circulation flow rate.
An experiment to investigate the natural circulation of a cryogen has been performed. The study is motivated mainly by our recent development of cryogenic cooling system for prototype superconducting cyclotron without any circulating pump. In the natural circulation loop system, a cooling channel is attached on the outer surface of the aluminium block and the liquid nitrogen passes through inside of the channel to cool the block indirectly. A cryocooler as a heat sink is located at the top to re-condense cryogenic vapor coming from the aluminium block in which electrical heater is installed as a heat source. The main dimensions are determined using the relevant analysis and the natural circulation loop is successfully fabricated. The temperature distributions in the loop are measured during initial cool-down process and in steady state, from which the modified Grashof numbers are calculated and compared with the existing correlation estimated with one-dimensional analysis for steady state flow.
An experimental study is performed to investigate the thermal and flow characteristics of subcooled liquid nitrogen in a natural circulation loop. Experimental apparatus is designed and constructed such that a closed loop is cooled at the top by a cryocooler and heated nearly at the bottom by cartridge heaters. Steady state is obtained by controlling the heating power to the cartridge heaters and a thin-film heater to reduce the cooling power of the cryocooler. Temperature is measured at several locations of the loop and the mass flow rate through the loop is estimated from the energy balance in terms of the measured temperatures. Experiment is repeated for various values of the vertical height between the cooling and heating parts. The results show that the heat transfer capability of the loop has a maximum at a certain value of height. The optimal height to maximize the heat transfer is in a good agreement with analytical prediction to take into account the buoyancy and viscous forces in the loop.
A two-phase natural circulation test using SMART integral test loop (SMART-ITL) was conducted to explore thermo-hydraulic phenomena of two-phase natural circulation in the SMART reactor. Specifically, the test examined the natural circulation in the primary loop under a stepwise coolant inventory loss while keeping the core power constant at 5% of the scaled full power. Based on the test results, three flow regimes were observed: single-phase natural circulation (SPNC), two-phase natural circulation (TPNC), and boiler-condenser natural circulation (BCNC). The flow rate remained steady in the SPNC, slightly increased in the TPNC, and dropped abruptly and maintained in the BCNC. Using a natural circulation flow map, the natural circulation characteristic in the SMART-ITL was compared with those in pressurized water reactor simulators. In the SMART-ITL, a BCNC regime appeared instead of siphon condensation and reflux condensation regimes because of the use of once-through steam generators.
Critical heat flux (CHF) has traditionally been evaluated using look-up tables or empirical correlations for nuclear power plants. However, under complex moving condition, it is necessary to reconsider the CHF characteristics since the conventional CHF prediction methods would no longer be applicable. In this paper, the additional forces caused by motions have been added to the annular film dryout (AFD) mechanistic model to investigate the effect of moving condition on CHF. Moreover, a theoretical model of the natural circulation loop with additional forces is established to reflect the natural circulation characteristics of the loop system. By coupling the system loop with the AFD mechanistic model, a CHF prediction program called NACOM for natural circulation loop under moving condition is developed. The effects of three operating conditions, namely stationary, inclination and rolling, on the CHF of the loop are then analyzed. It can be clearly seen that the moving condition has an adverse effect on the CHF in the natural circulation system. For the calculation parameters in this paper, the CHF can be reduced by 25% compared with the static value, which indicates that it is important to consider the effects of moving condition to retain adequate safety margin in subsequent thermal-hydraulic designs.
A large-scale hot water production system using a natural circulation loop was developed. A computer simulation program was developed to design and evaluate thermal performance of the natural circulation system for hot water production. An experimental apparatus was set up and was tested against various conditions to exhibit a stable operating region of the natural circulation loop. When the system was a stable state for heating rate (695 ㎾) and feed water was circulated at 0.3 $\ell$/s constantly. A unstable state was checked by experiment and that time flow rate was oscillated with 0.4∼0.6 $\ell$/s. The result showed that the program can predict the thermal performance of the large-scale hot water system using the natural circulation loop and can be utilized to design the system.
The objective of this work is to investigate the effects of diminished primary coolant inventory and the presence of noncondensible gas during single- and two-phase natural circulation in a PWR loop model. The test model was composed of two loops with a U-tube heat exchanger in each loop. Through a series of tests, it has been confirmed that the two-phase natural circulation flow rates were greatly dependent on primary coolant inventory as previous investigators observed. The primary coolant inventory limit to maintain two-phase natural circulation was found to be the amount of the coolant necessary to keep the waterline of the coolant nozzle hole center in this model. The presence of noncondensible gas impede the single-phase natural circulation, but it did not affect the two-phase natural circulation significantly.
A lumped kinetic modeling platform is developed to investigate the coupled nuclear/thermo-fluid features of the closed natural circulation loop in a low power lead cooled fast reactor. This coolant material serves a reliable choice with noticeable thermo-physical safety characteristics in terms of natural convection. Boussienesq approximation is resorted to appropriately reduce the governing partial differential equations (PDEs) for the fluid flow into a set of ordinary differential equations (ODEs). As a main contributing step, the coolant circulation speed is accordingly correlated to the loop operational power and temperature levels. Further temporal analysis and control synthesis activities may thus be carried out within a more consistent state space framework. Nyquist stability criterion is thereafter employed to carry out a sensitivity analysis for the system stability at various power and heat sink temperature levels and results confirm a widely stable natural circulation loop.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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