Marine reactor systems experience platform movement, and therefore, the system thermal-hydraulic analysis code needs to reflect the motion effect on the fluid to evaluate reactor safety. A moving reactor model for MARS-KS was developed to simulate the hydrodynamic phenomena in the reactor under motion conditions; however, its applicability does not cover the MULTID component used in multidimensional flow analyses. In this study, a moving reactor model is implemented for the MULTID component to address the importance of multidimensional flow effects under dynamic motion. The concept of the volume connection is generalized to facilitate the handling of the junction of MULTID. Further, the accuracy in calculating the pressure head between volumes is enhanced to precisely evaluate the additional body force. Finally, the Coriolis force is modeled in the momentum equations in an acceleration form. The improvements are verified with conceptual problems; the modified model shows good agreement with the analytical solutions and the computational fluid dynamic (CFD) simulation results. Moreover, a simplified gravity-driven injection is simulated, and the model is validated against a ship flooding experiment. Throughout the verifications and validations, the model showed that the modification was well implemented to determine the capability of multidimensional flow analysis under ocean conditions.
A transient analysis on temperatures of fuel and oil in hydraulic and lubrication systems in an aircraft was studied using the finite difference method. Numerical calculation was performed by an explicit method with modified Dufort-Frankel scheme. Among various missions, air superiority mission was considered as a mission model with 20% hot day ambient condition in subsonic region. The ambience of the aircraft was assumed as turbulent flow. Convective heat transfer coefficient were used in calculating heat transfer between the aircraft surface and the ambience. For an aircraft on the ground, an empirical equation represented as a function of free-stream air velocity was used. And the heat transfer coefficient for flat plate turbulent flow suggested by Eckert was employed for in-flight phases. The governing equations used in this analysis are the mass and energy conservation equations on fuel and oils. Here, analysis of fuel and oil temperature in the engine was not carried out. As a result of this analysis, the ground operation phase has shown the highest temperature and the largest rate of temperature increase among overall mission phases. Also, it is shown that fuel flow rate through fuel/oil heat exchanger plays an important role in temperature change of fuel and oil. This analysis could be an important part of studies to ensure thermal stability of the aircraft and can be applicable to thermal design of the aircraft fuel system.
No, Hee-Cheon;Yoon, Ho-Joon;Kim, Seung-Jun;Lee, Byeng-Jin;Kim, Ji-Hwang;Kim, Hyeun-Min;Lim, Hong-Sik
Nuclear Engineering and Technology
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제41권7호
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pp.875-884
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2009
We present three nuclear/hydrogen-related R&D activities being performed at KAIST: air-ingressed LOCA analysis code development, gas turbine analysis tool development, and hydrogen-production system analysis model development. The ICE numerical technique widely used for the safety analysis of water-reactors is successfully implemented into GAMMA, with which we solve the basic equations for continuity, momentum conservation, energy conservation of the gas mixture, and mass conservation of 6 species (He, N2, O2, CO, CO2, and H2O). GAMMA has been extensively validated using data from 14 test facilities. We developed a tool to predict the characteristics of HTGR helium turbines based on the throughflow calculation with a Newton-Raphson method that overcomes the weakness of the conventional method based on the successive iteration scheme. It is found that the current method reaches stable and quick convergence even under the off-normal condition with the same degree of accuracy. The dynamic equations for the distillation column of HI process are described with 4 material components involved in the HI process: H2O, HI, I2, H2. For the HI process we improved the Neumann model based on the NRTL (Non-Random Two-Liquid) model. The improved Neumann model predicted a total pressure with 8.6% maximum relative deviation from the data and 2.5% mean relative deviation, and liquid-liquid-separation with 9.52% maximum relative deviation from the data.
The purpose of present work is to analyze the convective heat transfer downstream of mixing vane in subchannel of nuclear reactor with three-dimensional Navier-Stokes equations. SST model is selected as a turbulence closure by comparing the performances of two different turbulent closures. Three different shapes of mixing vane are tested. And, thermal-hydraulic performances of these vanes are discussed. The results show that twist of the vane improves the heat transfer performance far downstream of the vane.
A hyperbolic two-phase, two-fluid equation system developed in the previous work has been implemented in an existing nuclear safety analysis code, MARS. Although the implicit treatment of interfacial pressure force term introduced in momentum equation of the hyperbolic equation system is required to enhance the numerical stability, it is very difficult to implement in the code because it is not possible to maintain the existing numerical solution structure. As an alternative, two-step approach with stabilizer momentum equations has been selected. The results of a linear stability analysis by Von-Neumann method show the equivalent stability improvement with fully-implicit solution method. To illustrate the applicability, the new solution scheme has been implemented into the best-estimate thermal-hydraulic analysis code, MARS. This paper also includes the comparisons of the simulation results for the perturbation propagation and water faucet problems using both two-step method and the original solution scheme.
A three-dimensional thermal-hydraulic code, CUPID, has been developed for the analysis of transient two-phase flows at component scale. The CUPID code adopts a two-fluid three-field model for two-phase flows. A semi-implicit two-step numerical method was developed to obtain numerical solutions on unstructured grids. This paper presents an overview of the CUPID code development and assessment strategy. The governing equations, physical models, numerical methods and their improvements, and the systematic verification and validation processes are discussed. The code couplings with a system code, MARS, and, a three-dimensional reactor kinetics code, MASTER, are also presented.
기사용 핵연료 저장조에 대한 열수력 해석과 관련된 인자들이 열수력 해석에 미치는 영향에 대한 분석을 수행하였다. 기사용 핵연료에서 발생하는 붕괴열(decay heat)을 제거하기 위해 일어나는 자연 순환(natural circulation)현상을 모사하기 위해 단순화된 유동망(simplified flow network)해석 모델을 사용하였다. 기사용 핵연료 저장조의 각 셀에 저장되는 연료 집합체에서 발생하는 붕괴열을 제거하기 위해 흐르는 유량의 압력 손실량이 자연순환을 일으키는 밀도차이에 의해 생성되는 구동력(driving force)과 평형을 이루는 관계를 이용하여 지배 방정식을 유도하였다. 그러나 유량, 저항 계수, 붕괴열, 밀도 등의 변수들이 서로 종속 관계를 갖기 때문에 반복 계산을 통해 해를 얻게 된다. 본 해석을 적용한 영광 3, 4호기의 경우, 12채널을 고려하였고 사용되는 입력 (저항 계수, 붕괴열)을 보수적으로 결정하였다. 본 연구를 통해 영광 3, 4호기 기사용 핵연료 저장조의 열수력 특성을 구하였다. 또한 유동로를 따라 형성되는 유동 저항중에 기하학적 요인에 의한 압력 손실은, 기사용 핵연료 저장조의 경우 압력 용기내의 유동과 달리 천이 영역(transition region)이 존재하게 되므로 Reynolds수에 민감한 것을 알 수 있다. 간극 유동은 조밀화된 연료 집합체 (consolidated fuel assembly)가 아닌 경우 무시할 수 있었다.
To improve the predictive capability of a nuclear thermal hydraulic safety analysis code by developing a better constitutive equation for individual phenomenon has been the general research direction until now. This paper proposes a new method to directly use complex experimental data obtained from integral effect test (IET) to improve constitutive models holistically and simultaneously. The method relies on the sensitivity of a simulation result of IET data to the multiple constitutive equations utilized during the simulation, and the sensitivity of individual model determines the direction of modification for the constitutive model. To develop a robust and generalized method, a clustering algorithm using an artificial neural network, sample space size determination using non-parametric statistics, and sampling method of Latin hypercube sampling are used in a combined manner. The value of the proposed methodology is demonstrated by applying the method to the ATLAS DSP-05 IET experiment. A sensitivity of each observation parameter to the constitutive models is analyzed. The new methodology suggested in the study can be used to improve the code prediction results of complex IET data by identifying the direction for constitutive equations to be modified.
This paper presents a high-efficiency design technique for developing the serialized models of a single-channel pump based on the diameter, flow rate and head as the main performance parameters. The variation in pump performance by changing of the single-channel pump geometry was predicted based on computational fluid dynamics (CFD). Numerical analysis was conducted by solving three-dimensional steady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport (SST) turbulence model. The tendencies of the hydraulic performance depending on the pump geometry scale were analyzed with the fixed rotational speed. These performances were expressed and evaluated as the functionalization for designing the serialized models of a single-channel pump in this work.
A multi-dimensional component for the thermal-hydraulic system analysis code, MARS, was developed for a more realistic three-dimensional analysis of nuclear systems. A three-dimensional and two-fluid model for a two-phase flow in Cartesian and cylindrical coordinates was employed. The governing equations and physical constitutive relationships were extended from those of a one-dimensional version. The numerical solution method adopted a semi-implicit and finite-difference method based on a staggered-grid mesh and a donor-cell scheme. The relevant length scale was very coarse compared to commercial computational fluid dynamics tools. Thus a simple Prandtl's mixing length turbulence model was applied to interpret the turbulent induced momentum and energy diffusivity. Non drag interfacial forces were not considered as in the general nuclear system codes. Several conceptual cases with analytic solutions were chosen and analyzed to assess the fundamental terms. RPI air-water and UPTF 7 tests were simulated and compared to the experimental data. The simulation results for the RPI air-water two-phase flow experiment showed good agreement with the measured void fraction. The simulation results for the UPTF downcomer test 7 were compared to the experiment data and the results from other multi-dimensional system codes for the ECC delivery flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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