Simulación preliminar en CFD de la distribución de flujo bifásico en el

interior de un colector de salida de un reactor CANDU

Jiménez Díaz, J.D. y Lazarte, A.I.

Presentado en: Reunión Anual de la Asociación Argentina de Tecnología Nuclear - AATN.Buenos Aires, Argentina, 21 al 25 de noviembre de 2016

SIMULACIÓN PRELIMINAR EN CFD DE LA DISTRIBUCIÓN DE FLUJO BIFÁSICO EN EL INTERIOR DE UN COLECTOR DE SALIDA DE UN

REACTOR CANDU11Jiménez Díaz, J.D.1 y Lazarte, A.I.1

1 jjimenez@arn.gob.ar; alazarte@arn.gob.ar

Autoridad Regulatoria Nuclear Argentina

En este trabajo se presentan los resultados de las simulaciones preliminares en estado estacionario del mezclado de flujo bifásico en uno de los colectores de salida de la Central Nuclear Embalse, realizado con el software ANSYS CFX 15.0, en su versión académica, y que estuvo disponible en la Academia de Ciencias de Buenos Aires. El proceso de mezclado es complicado y no hay en la bibliografía estudios detallados de estos fenómenos, siendo esta la razón que motivó al presente trabajo. Aquí, se propuso analizar y estudiar el proceso de mezclado del refrigerante que ingresa al colector a través de 95 alimentadores diferentes. Para el estudio se consideró como dominio al mismo colector, junto con una porción de tubería de cada uno de los 95 alimentadores y parte de las ramas calientes. Se partió desde los planos isométricos para desarrollar la geometría detallada. Como condiciones de contorno se establecieron los flujos másicos y las fracciones de vacío de cada uno de los alimentadores y la presión de las ramas calientes salientes del colector. Los resultados obtenidos se muestran mediante un conjunto de líneas de corriente que ilustra el proceso de mezclado del flujo bifásico, los gradientes de temperatura, la distribución de presión y de fracciones de vacío en el colector.

PRELIMINARY STUDY OF CFD SIMULATION OF TWO-PHASE FLOW DISTRIBUTION IN AN OUTLET HEADER OF A CANDU REACTOR

This paper presents the results of preliminary steady-state simulations of two-phase flow mixing in one of the outlet header of the Embalse Nuclear Power Plant performed with an academic version of ANSYS CFX 15.0 software. This software was available at the Academy of Sciences of Buenos Aires. The mixing process is complicated and there are scarce detailed studies of these phenomena in the literature; this was the main reason that motived the current work. The purpose of this study is to analyze the coolant mixing injected throughout 95 different feeders to the header. One header with a portion of the 95 feeders and part of the hot legs is considered in this study. The model was started from blueprints to develop the detailed geometry. As boundary conditions the total mass flow rate and void fractions at each feeder, and the outlet pressure were imposed. The results are shown by a set of streamlines illustrating the mixing of two-phase flow, temperature gradients, pressure distribution and gradients and void fraction distribution in the header.

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1. INTRODUCCIÓN

En los últimos años se han estado desarrollando estudios de verificación y validación y análisis de técnicas computacionales, para la solución de problemas complejos de ingeniería. Entre estas técnicas computacionales, los códigos de fluido dinámica computacional (CFD por sus siglas en inglés) han presentado un fuerte desarrollo y aplicación en distintos ámbitos industriales, principalmente en la industria automotriz, aeroespacial, militar, petrolera y últimamente en la industria nuclear, donde su aplicación ha sido en áreas de diseño y optimización de componentes nucleares. La ventaja del uso del CFD es que al intentar representar más manera más detallada la física del fenómeno analizado sus resultados pueden llegar a lograr una precisión aceptable, siempre y cuando existan datos experimentales que permitan validarlos.

En la industria nuclear Argentina, el uso del CFD ha crecido en los últimos años. Desde el punto de vista regulatorio el CFD aún no es una herramienta con validación suficiente para algunos problemas. En la Autoridad Regulatoria Nuclear se ha utilizado esta herramienta para comprender y ganar experiencia en el uso de la misma con un fin académico.

En este trabajo se presenta el análisis del fenómeno de mezclado de flujo bifásico dentro de un colector de salida de la CNE. El software de CFD utilizado fue la versión académica de ANSYS 15.0 cuya licencia estuvo instalada en la Academia de Ciencias de Buenos Aires.

El proceso de mezclado es complicado y no hay en la bibliografía estudios detallados de estos fenómenos, siendo esta la razón que motivó al presente trabajo. El principal objetivo fue obtener la información de carácter cualitativo del fenómeno de mezclado que ocurre dentro del colector, cuando ingresa refrigerante caliente a través de 95 alimentadores con distintos parámetros termodinámicos.

La Central Nuclear Embalse (CNE) es un reactor tipo CANDU-600 con 380 canales con elementos combustibles y por donde fluye agua pesada que retira el calor de fisión. Cada canal cuenta con un alimentador de entrada y uno de salida, que terminan agrupados en 4 grupos de 95 alimentadores cada uno. Cada grupo de 95 alimentadores converge en un colector que puede ser de entrada o de salida. En los colectores de salida se produce el mezclado del refrigerante caliente previo a ingresar a cada generador de vapor. A la salida de los generadores de vapor el refrigerante es succionado por una bomba y es inyectado a un colector de entrada. De estos colectores de entrada se ramifican 95 alimentadores que se conectan a los a la entrada de los canales refrigerantes.

Para este trabajo se seleccionó el colector número 7 y sus correspondientes alimentadores. En la Figura 1 se muestra un esquema del núcleo y el número de cada canal. La composición (fracción de vacío, temperatura y caudal) de cada alimentador que llega al colector está determinada por la geometría (pérdidas de cargas) y la potencia de cada canal.

Figura 1. Representación de los canales del núcleo del reactor de la CNE, en rojo se presenta los canales que a través de los alimentadores se conectan en el colector 7.

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Se presenta el desarrollo de las simulaciones preliminares en CFD con el objetivo de obtener los primeros resultados del análisis de mezclado en un colector de salida de la CNE.

2. DOMINIO Y MALLADO

El dominio del fluido se creó en el entorno gráfico de ANSYS 15.0 con el módulo “Geometry”. El dominio representa el fluido que ocupa el volumen interno del colector 7, la tubería de los 95 alimentadores y una parte de las dos ramas calientes.

Para la generación de la geometría se utilizaron los planos isométricos del colector y de todos los alimentadores, teniendo especial cuidado en las dimensiones y el ángulo de ingreso al colector. Se representaron los alimentadores desde el colector hasta la primera curva que se observa en los planos. De esta forma, la longitud modelada de los alimentadores permite que el flujo de refrigerante, altamente turbulento, se desarrolle antes de ingresar al colector.

En la Figura 2 se muestra el dominio del fluido del colector, de los 95 alimentadores y de las dos ramas calientes. A partir de esta figura se puede evidenciar al colector como la cañería horizontal con los extremos semiesféricos y las dos cañerías que se proyectan sobre el eje “V”.

ANSYSR15.0

Acidemic

0,7500,250

Figura 2. Vista isométrica del dominio del fluido del colector 7 de la CNE y de los95 alimentadores

El mallado, también se realizó dentro del entorno gráfico de ANSYS en el módulo de “Mesh”. Se utilizó un método automático que permitió definir un número mayor de elementos en zonas con diámetros menores y en las uniones entre los alimentadores y el colector tal como se evidencia en Figura 3. Se definió, también, una capa límite de tres nodos en las secciones de los alimentadores y las dos salidas.

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Figura 3. Vista isométrica del mallado del dominio de estudio

Como resultado se obtuvo una malla de hexaedros en los alimentadores y en la representación de la capa límite (Figura 4), y el resto del dominio con elementos tetraédricos. El número total de elementos obtenidos fue de aproximadamente 2 millones de elementos.

Figura 4. Esquema de la representación de la capa límite junto a los resultados del método automático

La malla se evaluó a través de la calidad de la ortogonalidad que cuanto más cercano sea a 1, mejor calidad tendrá el mallado. Como resultado se obtuvo un valor de promedio de 0,88, lo cual permitiría aceptar el mallado obtenido.

Por último, se crearon las denominadas “Name Selection” que son selecciones de contorno. Para esto a cada sección transversal de los alimentadores se le asignó su respectivo código alfa-numérico (definido en la Figura 1). Adicionalmente se definió la salida a las dos secciones de los dos caños del colector, y finalmente, las superficies de los alimentadores y del colector se definieron como pared.

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3. CONDICIONES INICIALES Y DE CONTORNO

Anteriormente se indicó de manera general tres tipos de contornos en el dominio, “entrada”, “salida” y “pared”. La “entrada” corresponde al ingreso de refrigerante caliente al colector a través de los 95 alimentadores, la salida al egreso del refrigerante del colector a través de las ramas calientes y, por último, la “pared” a todos los bordes del dominio que se encuentran en contacto con los bordes internos de las cañerías y del colector. En la Tabla 1 se indican los parámetros definidos para las condiciones de contorno.

Tabla 1. Parámetros establecidos para las “Name selection” del colector

Name selection Condición de contorno Parámetros

Entrada CaudalTemperatura Fracción deTítulo

vacío

Los valores son distintos para cada uno de los 95 alimentadores.

Salida Presión 100 bar

Pared RugosidadAdiabático

Sin rugosidad

En la siguiente Figura 5, se muestra de forma gráfica la representación de la entrada y salida de refrigerante en el colector. Las flechas indican el sentido de circulación del refrigerante.

Figura 5. Esquema de la definición de las condiciones de contorno entrada y salida del refrigerante

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Cabe remarcar que la potencia de cada canal y el caudal de refrigerante son diferentes en cada alimentador. Para determinar el flujo de masa y su composición se utilizaron datos de códigos de planta y mediante un balance de energía (con flujo homogéneo) y a la misma presión se determina la fracción de vacío. Debe notarse que no se ha tenido en cuenta la fracción de vacío en el caso de ebullición sub-enfriada, que podría ocurrir. Tampoco se tuvo en cuenta la producción de vapor a lo largo de un alimentador por efecto de “flashing”.

Finalmente, se resuelve un estado estacionario, no isotérmico y en doble fase. Como modelo de turbulencia se eligió el < - -', con una función de pared escalable, el esquema de advección seleccionado fue “upwind” y como criterio de convergencia se tomó 10-4.

4. SIMULACIONES Y RESULTADOS

Se realizó una sola corrida en CFX, alcanzando la convergencia en un tiempo de aproximadamente 6 horas utilizando una PC de 2 núcleos y 2 GB de ram. Con el fin de analizar los resultados obtenidos se creó una línea a lo largo del eje axial del colector y sobre esta se obtuvieron valores de temperatura, presión y fracción de vapor, que fueron graficadas en función de la longitud del colector. Por otro lado, se crearon líneas de corriente dirigidas desde las entradas de los alimentadores hasta la salida del colector y sobre las cuales se representan de forma gráfica la temperatura, presión, fracción de vapor y la velocidad del refrigerante.

Como primer resultado se analiza el mezclado de refrigerante dentro del colector. Esto se observa a través de líneas de corriente (representadas por el módulo de la velocidad) según se muestra en la Figura 6. Se observa que existen velocidades cercanas a 0 m/s hasta 27,6 m/s, estando presentes las máximas velocidades en el ingreso del refrigerante por los alimentadores. Una vez que el refrigerante ingresa al colector se distribuye de manera aproximadamente simétrica en dos zonas de mezcla, presentando bajas velocidades en los extremos y en la mitad del colector. Se observa que entre las dos salidas (ramas calientes) la velocidad del refrigerante es similar como era de esperarse.

Figura 6. Módulo de la velocidad del refrigerante líquido en el colector

A partir de estos resultados de velocidad, se obtuvo un número de Reynolds mayor a 50000 por lo tanto el flujo desarrollado se alcanzaría con una relación de L/D igual a 10. Esto significa que la longitud elegida de los alimentadores modelados permite que el flujo turbulento se desarrolle antes de ingresar al colector.En la Figura 7 se presenta la temperatura sobre una línea que se proyecta a lo largo del colector. En esta grafica se puede observar que el rango de temperatura dentro del colector se encuentra entre 580,6 K y 581,6 K (307,45 y 308,35 °C). Se observa en un extremo un pico de temperatura ocasionado por la alimentación del canal O11 que ingresa a una temperatura de

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583 K (309,85 °C), tal como se muestra en la Figura 8, donde dicho alimentador es el que presenta una mayor temperatura de refrigerante.

posición del colector (m)

Figura 7. Temperatura de refrigerante a lo largo del colector

En la Figura 8 se muestran 1500 líneas de corriente que representan la temperatura del refrigerante caliente que ingresa al colector. En primer lugar se observa que se uniformizan y terminan saliendo a aproximadamente 581 K (307.85 °C) a través de las dos salidas del colector.

Figura 8. Temperatura del refrigerante líquido a través del colector

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En la Figura 9 se muestra la distribución de presión a lo largo del colector presentando una forma ondulada con dos valles y un máximo absoluto, en las posiciones de la salida de las ramas calientes y en el centro del colector, respectivamente. Además se puede observar que la presión varía dentro de un rango de aproximadamente 1 bar.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

posición del colector (m)

101,2

101,2

101,1

101,1w

101,0 e­c :2101,0 2

Cl.

100,9

100,9

100,8

Figura 9. Presión de refrigerante a lo largo del colector

En la Figura 10 se muestran los gradientes de presión en el colector donde se presenta los cambios en ésta sobre las líneas de corriente presentando en un color rojo la máxima presión del colector en el medio del dominio.

PressureStreamline 1

10120164

10095260

10070356

10045452

10020548

9995643

9970739

9945835

9920931

9896027[Pa]

Academic

ANSYSR1S.0

Figura 10. Presión dentro del colector

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A modo complementario, se muestra en la Figura 11 la distribución de presión en un colector utilizando un código unidimensional del diseñador de reactores CANDU. De una comparación cualitativa con la Figura 9 se aprecia que la distribución de presiones obtenidas es comparable

Figura 11. Distribución de presión en un colector de salida utilizando un código unidimensional

Finalmente, en la Figura 12 se ilustra la fracción de vapor y se evidencia que tiene un comportamiento similar a la temperatura descrita anteriormente, pero los valores de la fracción vacío se encuentran por debajo del 0,1 %. A pesar del bajo valor observado de fracción de vacío, se puede verificar que esencialmente a la salida del colector las dos ramas calientes tendrán una distribución uniforme de vapor.

Figura 12. Fracción de vapor a lo largo del colector

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A partir de lo anterior se definió sobre las líneas de corriente la fracción de vacío. En la Figura 13 se observa que a medida que el refrigerante ingresa al colector el vapor de refrigerante condensa y la temperatura del fluido disminuye por debajo de la temperatura de saturación.

Figura 13. Fracción de líquido en el dominio del colector

5. CONCLUSIONES

En este trabajo se desarrolló la simulación en estado estacionario, no isotérmico del proceso de mezclado de refrigerante caliente en doble fase, que ingresa al colector número 7 de la Central Nuclear de Embalse. Teniendo en cuenta que no se cuentan datos sobre el comportamiento del mezclado en un colector se estudió este fenómeno a través de simulaciones con códigos de fluido dinámica computacional. El software empleado fue ANSYS 15.0 con licencia académica.

El dominio se generó considerando el colector con una parte de la longitud de los alimentadores de forma tal que el flujo se desarrolla antes de ingresar al colector. Luego de la creación del dominio se realizó el mallado obteniendo una red de 2 millones de elementos tetraédricos y hexaédricos.

Se obtuvieron los resultados, en estado estacionario, de temperatura del refrigerante, presión, velocidad y fracción de vapor, en un colector. Se determinó que cuando el refrigerante ingresa al colector se distribuye formando dos vórtices principales. Estos vórtices provocan un mezclado del refrigerante resultando que la temperatura de mezcla descienda por debajo de la temperatura de saturación y disminuyendo la fracción vacío de refrigerante.

También se determinó la necesidad de verificar los datos de las condiciones de contorno del refrigerante caliente que ingresa por los alimentadores ya que la distribución de vapor en cada alimentador podría cambiar si se tiene en cuenta ebullición subenfriada. Por otro lado, se debería considerar el efecto de la fricción de las paredes del colector sobre la formación de los vórtices. Cabe mencionar que no se observa una distribución de presión uniforme en el colector sino un máximo y dos mínimos y cuya amplitud máxima alcanza 1 bar. Esta diferencia, que se está estudiando, podría ser de importancia dependiendo de la posición de detectores utilizados para el control de presión.

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BIBLIOGRAFÍA

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/3/ ANSYS, ANSYS® Academic Research, Realase 15.0, ANSYS CFX-Solver Modeling Guide, ANSYS Inc, 2013.

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