Heat transfer phenomena during melting process of the phase change material (ice) was studied by numerical analysis and experiments. In a horizontal ice storage tube, the natural convection caused an increase in melting rate. However, the reduction of the heating surface area caused a decrease in melting rate. Therefore, during the melting process of ice in a horizontal cylinder, the reduction of the heating surface area should be considered. Under the same heating wall and initial water temperature condition, the melting rate became higher for $V_s/V_tot/=0.545 \;than \;that\; for\; V_s/V_tot$/=1.00 due to the difference in the reduction of heating surface area. A modified melting model considering the equivalent thermal conductivity of liquid phase and volume reduction was proposed. The results of the model were compared with the measured values and found to be in good agreement.
This paper deals with the computational modeling of buoyancy-driven turbulent heat transfer involving spatially uniform volumetric heat sources in semicircular geometry. The Launder & Sharma low-Reynolds number k-$\varepsilon$ turbulence model without any modifications and the SIMPLER computational algorithm were used for the numerical modeling, which was incorporated into the new computer code CORE-TNC. This computer code was subsequently benchmarked with the Mini-ACOPO experimental data in the modified Rayleigh number range of 2$\times$10$^{13}$$\times$10$^{14}$ . The general trends of the velocity and temperature fields were well predicted by the model used, and the calculated isotherm patterns were found to be very similiar to those observed in previous experimental investigations. The deviation between the Mini-ACOPO experimental data and the corresponding numerical results obtained with CORE-TNC for the average Nusselt number was less than 30% using fine grid in the near-wall region and the three-point difference formula for the wall temperature gradient. With isothermal pool boundaries, heat was convected predominantly to the upper and adjacent lateral surfaces, and the bottom surface received smaller heat fluxes.
In this study, three condensation models of the CUPID code, i.e., the resolved boundary layer approach (RBLA), heat and mass transfer analogy (HMTA) model, and an empirical correlation, were tested and validated against the COPAIN and CAU tests. An improvement on HMTA model was also made to use well-known heat transfer correlations and to take geometrical effect into consideration. The RBLA was a best option for simulating the COPAIN test, having mean relative error (MRE) about 0.072, followed by the modified HMTA model (MRE about 0.18). On the other hand, benchmark against CAU test (under natural convection and occurred on a slender tube) indicated that the modified HMTA model had better accuracy (MRE about 0.149) than the RBLA (MRE about 0.314). The HMTA model with wall function and the empirical correlation underestimated significantly, having MRE about 0.787 and 0.55 respectively. When using the HMTA model, consideration of geometrical effect such as tube curvature was essential; ignoring such effect leads to significant underestimation. The HMTA and the empirical correlation required significantly less computational resources than the RBLA model. Considering that the HMTA model was reasonable accurate, it may be preferable for large-scale simulations of containment.
A numerical analysis of thermal stratification in the upper plenum of the MONJU fast breeder reactor was performed. Calculations were performed for a 1/6 simplified model of the MONJU reactor using the commercial code, CFX-13. To better resolve the geometrically complex upper core structure of the MONJU reactor, the porous media approach was adopted for the simulation. First, a steady state solution was obtained and the transient solutions were then obtained for the turbine trip test conducted in December 1995. The time dependent inlet conditions for the mass flow rate and temperature were provided by JAEA. Good agreement with the experimental data was observed for steady state solution. The numerical solution of the transient analysis shows the formation of thermal stratification within the upper plenum of the reactor vessel during the turbine trip test. The temporal variations of temperature were predicted accurately by the present method in the initial rapid coastdown period (~300 seconds). However, transient numerical solutions show a faster thermal mixing than that observed in the experiment after the initial coastdown period. A nearly homogenization of the temperature field in the upper plenum is predicted after about 900 seconds, which is a much shorter-term thermal stratification than the experimental data indicates. This discrepancy is due to the shortcoming of the turbulence models available in the CFX-13 code for a natural convection flow with thermal stratification.
In-vessel retention through external reactor vessel cooling (IVR-ERVC) is a severe accident management (SAM) strategy that has been adopted and used in many nuclear reactors such as AP1000, APR1400, and light water reactor etc. Some reactor accidents have raised concerns about nuclear reactors among residents, leading to a decrease in residents' acceptability and many studies on SAM are being conducted. Experiments on IVR-ERVC are almost impossible due to its specificity, so fluid characteristics are analyzed through BALI experiments with similar condition. In this study, computational fluid dynamics (CFD) via Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and large eddy simulation (LES) for BALI experiments were performed. Steady-state CFD analysis was performed on three turbulence models, and SST k-ω model was in good agreement with the experimental measurement temperature within the maximum error range of 1.9%. LES CFD analysis was performed based on the RANS analysis results and it was confirmed that the temperature and wall heat flux for depth was consistent within an error range of 1.0% with BALI experiment. The LES CFD analysis results were compared with those of the Lagrangian-based solver. LES matched the temperature distribution better than SOPHIA, but SOPHIA calculated the position of boundary between stratified layer and convective layer more accurately. On the other hand, Lagrangian-based solver predicted several small eddy behaviors of the convective layer and LES predicted large vortex behavior. The vibration characteristics near the cooling part of the BALI experimental device were confirmed through Fast Fourier Transform (FFT) investigation. It was found that the power spectral density for pressure at least 10 times higher near the side cooling than near the top cooling.
The objective of this study is to report on the characterics of convective flow and heat transfer during metling process in order to provide design information for thermal energy storage systems which use phase change material. In present study, flow and heat transfer characteristics of the Phase Change Material in the Open Top Model (O.T.M) and in the Closed Top Model (C.T.M) were studied numerically by the control volume formulation using the algebraic non-orthogonal coordinate transformation. For the calculation procedure, the physical properties of fluid are assumed to be constant except density which is linely dependent on temperature in the bouyancy term of momentum equations. At start of melting process, the thickness of melting layer is assumed from the Stefan Problem assumption. The heat transfer results of Open Top Model and Closed Top Model are compared with the parameters of Grashof number and aspect ratio. It was found that heat transfer phenomena in melted region was greatly affected by buoyancy-driven natural convection and the melting distance of Open Top Model at the upper region is greater than that of Closed Top Model.
Min Ho Lee;Ji Hwan Hwang;Ki Hyun Choi;Dong Wook Jerng;In Cheol Bang
Nuclear Engineering and Technology
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제54권12호
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pp.4759-4775
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2022
The RVACS is a versatile and robust safety system driven by two natural circulations: in-vessel coolant and ex-vessel air. To observe interaction between the two natural circulations, SINCRO-IT facility was designed with two different similarity laws simultaneously. Bo' based similarity law was employed for the in-vessel, while Ishii's similarity law for the ex-vessel excluding the radiation. Compared to the prototype, the sodium and air system, SINCRO-IT was designed with Wood's metal and air, having 1:4 of the length reduction, and 1.68:1 of the time scale ratio. For the steady state, RV temperature limit was violated at 0.8% of the decay heat, while the sodium boiling was predicted at 1.3%. It showed good accordance with the system code, TRACE. For an arbitrary re-criticality scenario with RVACS solitary operation, sodium boiling was predicted at 25,100 s after power increase from 1.0 to 2.0%, while the system code showed 30,300. Maximum temperature discrepancy between the experiments and system code was 4.2%. The design and methodology were validated by the system code TRACE in terms of the convection, and simultaneously, the system code was validated against the simulating experiments SINCRO-IT. The validated RVACS model could be imported to further accident analysis.
The transient behavior of a passive air breathing direct methanol fuel cell (DMFC) operated on vapor-feeding mode is studied in this paper. It generally takes 30 minutes after starting for the cell response to come to its steady-state and the response is sometimes unstable. A mathematical dynamic one-dimensional model for simulating transient response of the DMFC is presented. In this model a DMFC is decomposed into its subsystems using lumped model and divided into five layers, namely the anodic diffusion layer, the anodic catalyst layer, the proton exchange membrane (PEM), the cathodic catalyst layer and the cathodic diffusion layer. All layers are considered to have finite thickness, and within every one of them a set of differential-algebraic governing equations are given to represent multi-components mass balance, such as methanol, water, oxygen and carbon dioxide, charge balance, the electrochemical reaction and mass transport phenomena. A one-dimensional, isothermal and mass transport model is developed that captures the coupling between water generation and transport, oxygen consumption and natural convection. The single cell is supplied by pure methanol vapor from a methanol reservoir at the anode, and the oxygen is supplied via natural air-breathing at the cathode. The water is not supplied from external source because the cell uses the water created at the cathode using water back diffusion through nafion membrane. As a result of simulation strong effects of water transport were found out. The model analysis provides several conclusions. The performance drop after peak point is caused by insufficiency of water at the anode. The excess water at the cathode makes performance recovery impossible. The undesired crossover of the reactant methanol through the PEM causes overpotential at the cathode and limits the feeding methanol concentration.
초크랄스키 결정성장계의 산소농도에 영향을 주는 유동거동에 대한 정보를 얻기 위해 저온모델을 이용하여 실험적으로 초크랄스키 멜트에 내의 유속을 측정하였다. 실리콘 멜트와 유사한 프란틀(Pr) 수를 갖는 저 융점의 Woods metal을 작동유체로 채택하였다. 전기 전도성을 갖는 유체에서 속도 측정이 가능한 일체형 자석 프로우브(Incorporated magnet probe)를 제작하여 멜트 내부의 여러 지점에서 유속을 3차원저긍로 측정하였다. 측정 결과 관찰된 속도장은 자연대류가 지배적이며 비축대칭적인 유동양상을 나타내었다. 또한 멜트의 두 지점에서 동시에 측정된 온도 데이터로부터 상관계수 및 도가니 회전에 의한 온도 wave의전파를 분석한 결과 상관계수의 크기는 기존의 소형 실리콘 멜트의 연구에서 구한 값보다 작게 나타났으며 이러한 현상은 규모가 큰 멜트의 유동은 난류인 거동이 더 강해지기 때문에 발생하는 것으로 파악되었다.
The numerical simulations were conducted to investigate the thermal-fluid phenomena occurred inside the experimental apparatus during a PCCS, used to remove heat released in accidents from a containment of light water nuclear power plant, operation. Numerical simulations of the flow and heat transfer caused by wall condensation inside the containment simulation vessel (CSV), which equipped with 18 vertical heat exchanger tubes, were conducted using the commercial computational fluid dynamics (CFD) software ANSYS-CFX. Shear stress transport (SST) and the wall condensation model were used for turbulence closure and wall condensation, respectively. The simulation using the actual size of the apparatus. However, rather than simulating the whole experimental apparatus in consideration of the experimental cases, calculation resources, and calculation time, the simulation model was prepared only in CSV. Selective simulation was conducted to verify the effects of non-condensable gas(NC gas) concentration, CSV internal pressure, and wall sub-cooling conditions. First, as a result of the internal flow of CSV, it was observed that downward flow due to condensation occurred surface of the vertical tube and upward flow occurred in the distant place. Natural convection occurred actively around the heat exchanger tube. Due to this rising and falling internal flow, natural circulation occurred actively around the heat exchanger tubes. Next, in order to check the performance of built-in condensation model using according to the non-condensable gas concentration, CSV internal flow and wall sub-cooling, the heat flux values were compared with the experimental results. On average, the results were underestimated with and error of about 25%. In addition, the influence of CSV internal pressure and wall sub-cooling was small, but when the condensate was highly generated due to the low non-condensable gas concentration, the error was large compared to the experimental values. This is considered to be due to the nature of the condensation model of the CFX code. However, in spite of the limitations of CFD, it is valid to use the built-in condensation model of CFD for PCCS performance prediction from a conservative perspective.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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