This paper aims at presenting the state of the art, the recent progress, and the perspective for the future, in the modelling of two-phase flow in the horizontal legs of a PWR. All phenomena relevant for safety analysis are listed first. The selection of the modelling approach for system codes is then discussed, including the number of fluids or fields, the space and time resolution, and the use of flow regime maps. The classical two-fluid six-equation one-pressure model as it is implemented in the CATHARE code is then presented and its properties are described. It is shown that the axial effects of gravity forces may be correctly taken into account even in the case of change of the cross section area or of the pipe orientation. It is also shown that it can predict both fluvial and torrential flow with a possible hydraulic jump. Since phase stratification plays a dominant role, the Kelvin-Helmholtz instability and the stability of bubbly flow regime are discussed. A transition criterion based on a stability analysis of shallow water waves may be used to predict the Kelvin-Helmholtz instability. Recent experimental data obtained in the METERO test facility are analysed to model the transition from a bubbly to stratified flow regime. Finally, perspectives for further improvement of the modelling are drawn including dynamic modelling of turbulence and interfacial area and multi-field models.
The helical-coiled once-through steam generator (H-OTSG) has the advantages of compact structure and strong heat transfer ability, and is appropriate for lead-cooled fast reactor. The two-phase flow instability may cause mechanical vibration and thermal fatigue of heat transfer tube bundles, posing a serious threat to the safe operation of the H-OTSG. In this work, the secondary side of the H-OTSG characterized as multi-parallel channels is modeled by RELAP5/MOD3.4 code, and the oscillation behavior during start-up and the influence of structural and operating parameters on system stability are studied based on time-domain method. The results indicate that the pressure, flow rate, and temperature of the secondary fluid exhibit density wave oscillations at the heating section in a (n-2,2) pattern. In addition, increasing inlet throttling, reducing outlet throttling, controlling subcooling within an appropriate range and avoiding operation under low loads are all beneficial for improving the system stability of the helical-coiled once-through steam generator.
Sun Taek Lim;Koung Moon Kim;Jun-young Kang;Taewan Kim;Dong-Wook Jerng;Ho Seon Ahn
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.10
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pp.4077-4086
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2024
The natural circulation system has been widely studied for use in various applications because of its inherent advantage. However, it has a key weakness called flow instability that makes the system unstable. Through massive previous research, the mechanisms of flow instability were analyzed, but there was an ambiguous aspect related to the effect of experimental parameters on the phenomenon. Particularly, there has been no report on the heat transfer performance of the system when flow instability phenomena were present. In this study, thermal-hydraulic phenomena of a two-phase natural circulation system that functions as a passive containment cooling system (PCCS) was investigated according to experimental parameters, namely, the temperature boundary (120-158 ℃) and exit loss coefficient (0-34.5) under atmospheric pressure conditions. The experimental results showed five different flow types in the loop. The flow modes that occurred by the interaction between flashing and boiling were classified by referring to the mass flow rate, void fraction, and visualization data. The system was more unstable when the temperature boundary conditions increased, but it was more stable when the exit loss coefficient increased. These results have only been confirmed in our research. The reason for the results is that the flow conditions are located on the boundary between Density Wave Oscillation I and the stable flow region, and that boundary does not have clear criteria. In addition, comparing the heat transfer performance of a system by heat rate can confirm the effect of flow instability on the thermal performance of the passive cooling system. As a result, the high exit loss coefficient stabilizes the system better than the low case and has similar heat removal performance.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.21
no.5
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pp.71-79
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2017
A numerical analysis of the liquid-gas two-phase flows has been conducted. The incompressible equations of the two-phase flows were solved by the artificial compressibility method with the CLSVOF interface capturing method. To analyze the grid dependency of CLSVOF, a numerical analysis of Zalesak's disk and three-dimensional liquid deformation problem were carried out, and the reconstruction of deformation was investigated. The Rayleigh-Taylor instability was numerically analyzed by applying the equations of incompressible two-phase flow, and the surface instability was observed.
Two-phase cross-flow exists in many shell-tube heat exchangers such as nuclear steam generators, condensers and reboilers. An understanding of damping and of flow-induced vibration excitation mechanisms in necessary to avoid problems due to excessive tube vibration. In this paper, we present the results of experiments on normal-triangular tube bundles of pitch to tube diameter ratio, p/d, 1.22, 1.32 and 1.47. The bundle were subjected to air-water mixtures to simulate realistic mass fluxes and vapour qualities corresponding to void fractions from 5 to 99%. Damping, fluidelastic instability and turbulence- induced excitation are discussed. The behaivior of damping and two vibration mechanisms are different for intermittent flows from for bubbly flows. The effect of pitch to tube diameter ratio and void fraction is dominant on damping and fluidelastic instability.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.6
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pp.1128-1146
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1989
본 논문에서는 2상 횡유동의 진동 메카니즘을 규명하기 위한 실험계획의 일환으로 실시된 실험으로 부터 튜브집합체의 추가질량(hydrodynamic mass)과 감쇠 (damping)에 대해 고찰하였다. 실험은 튜브배열과 피치 대 직경비(pitch-over-di- ameter:.rho./d)가 상이한 튜브집합체에 대해 2상 유체를 모의한 공기-물(air-water) 혼합물에서 수행하였다. 액체상태로부터 99%의 보이드율까지 변화된 2상 유체의 유량은 튜브가 유체탄성 불안정성 (fluidelastic instability)에 도달할 때까지 점진적으로 증가하였다.
The characteristics of two-phase flow instability in a vertical boiling channel connecting with an unheated riser are investigated through the linear stability analysis model. Various two-phase flow models, including thermal non-equilibrium effects, are taken into account for establishing a physical model in the time domain. A classical approach to the frequency response method is adopted for the stability analysis by employing the D-partition method. The adequacy of the linear model is verified by evaluating experimental data at high quality conditions. It reveals that the flow-pattern-dependent drift velocity model enhances the prediction accuracy while the homogeneous equilibrium model shows the most conservative predictions. The characteristics of density wave oscillations under low-power and low-quality conditions are investigated by devising a simple model which accounts for the gravitational and frictional pressure losses along the channel. The necessary conditions for the occurrences of type-I instability and flow excursion are deduced from the one-dimensional D-partition analysis. The parametric effects of some design variables on low quality oscillations are also investigated.
Taehwan Ahn;Dongwon Jeong;Jin-Yeong Bak;Jae Jun Jeong;Byongjo Yun
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.8
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pp.3139-3143
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2024
Stratified flow in horizontal tubes is frequently observed in gas-liquid two-phase flow system. In the two-fluid modeling, it is important to define the interface shape in solving the balance equations to determine the key parameters such as the interfacial transfer terms, void fraction, and pressure drop. A double-circle model is usually introduced to depict the concave-down interface in a horizontal circular tube under the stratified-wavy flow condition. However, calculation of the central angle in the double-circle model, which represents the interfacial curvature, requires an appropriate iterative numerical root-finding scheme to solve the implicit transcendental equation. In this study, an explicit approximate equation has been proposed without requirement of the iterative scheme and numerical instability, which is expected to improve the coding process and computation efficiency in the analysis code with the two-fluid model.
Zheng, Chuanzhang;Yan, Gongxing;Khadimallah, Mohamed Amiine;Nouri, Alireza Zamani;Behshad, Amir
Advances in concrete construction
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v.13
no.5
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pp.361-365
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2022
The objective of this study is to simulate the two-phase flow in pipes with various two-fluid models and determinate the shear stress. A hyperbolic shear deformation theory is used for modelling of the pipe. Two-fluid models are solved by using the conservative shock capturing method. Energy relations are used for deriving the motion equations. When the initial conditions of problem satisfied the Kelvin Helmholtz instability conditions, the free-pressure two-fluid model could accurately predict discontinuities in the solution field. A numerical solution is applied for computing the shear stress. The two-pressure two-fluid model produces more numerical diffusion compared to the free-pressure two-fluid and single-pressure two-fluid models. Results show that with increasing the two-phase percent, the shear stress is reduced.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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