Two-phase CFD analyses in fuel assembly sub-channels of Pressurized Water Reactors under swirl conditions

Single-phase CFD calculations are already widely applied in nuclear industry for the thermal-hydraulic design optimization of fuel assemblies (FA). In contrast, two-phase CFD-applications are still in the state of development. The work presented in this thesis shows contributions towards the detailed two-phase modeling of boiling flows under swirl conditions in sub-channel geometries of pressurized water reactors (PWR) FAs, including a realistic description of the critical heat flux (CHF)-phenomena and identification of two-phase indicators characterizing CHF-phenomena. The numerical simulations were conducted with a 3-D CFD code (STAR CD) for various types of swirl generating components in FA. New insights regarding local void distribution in sub-channels under swirl conditions were obtained, which are relevant for CHF (“bubble pockets”). Furthermore, an enhanced wall partitioning model provides a more realistic description of the steep increase of the rod temperature due to CHF. Presented validation studies showed good agreement with the available experiments under PWR conditions for the radial void distributions at non-CHF conditions as well as for the CHF prediction. The results performed in this thesis show the incentives and chances of two-phase CFD applications for the development of thermal-hydraulically optimized PWR spacer grids with regard to heat transfer and improvement to the CHF behaviour.Einphasige CFD Analysen stellen für typische thermohydraulische Fragestellungen aus dem Kernkraftwerksbereich bereits jetzt ein wichtiges Werkzeug für die Brennelement (BE)¬Auslegung dar. Die zweiphasige CFD-Modellierung befindet sich dagegen in der Entwicklungsphase. Die in dieser Dissertation präsentierten Arbeiten zeigen Fortschritte für die detaillierte zweiphasige Modellierung drallbehafteter Strömungen im Unterkanal eines BEs des Druckwasserreaktors (DWR) einschließlich der realistischen Beschreibung des kritischen Wärmestroms (CHF) sowie die Bestimmung zweiphasiger Indikatoren, welche das Auftreten von CHF-Phänomen beschreiben. Verschiedene drallerzeugende Komponenten im BE wurden mit dem 3-D CFD-Code STAR-CD modelliert. Es wurden neue Erkenntnisse zur lokalen Blasenverteilung in Unterkanälen unter Drallbedingungen gewonnen, die für CHF relevant sind (“bubble pockets”). Durch eine Modifikation des Wärmeübergangsmodells (heat partitioning model) wird der starke Anstieg der Stabtemperatur infolge CHF realistischer beschrieben. Die durchgeführten Validierungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren Experimenten unter DWR-Bedingungen für die radialen Blasenverteilungen und für die Bestimmung von CHF. Die vorliegenden Ergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen den Nutzen und die Möglichkeiten von zweiphasigen CFD-Anwendungen für die Entwicklung und die thermohydraulische Optimierung von DWR-Abstandshaltern bezüglich des Wärmeübergangs und der Verbesserung des CHF-Verhaltens.Модели однофазовой среды в вычислительной гидродинамике (англ. CFD) являются уже сейчас важным инструментом для решения типичных термогидравлических задач в ядерной энергетике, например, при конструировании тепловыделяющих сборок (ТВС). Двухфазовое моделирование, в сравнении с однофазовым, находится на сегодняшний момент в стадии развития. Данная диссертация связана с совершенствованием двухфазовой модели в направлении улучшения детализации вихревого течения внутри ячейки ТВС в условиях работы двухконтурного ядерного реактора (тип PWR). Также в работе показана возможность более реалистичного описания феномена кризиса теплоотдачи и определения двухфазовых индикаторов, характеризующих критический тепловой поток (англ. CHF). Комплекс расчетов выполнен для различных интенсификаторов теплоотдачи, размещенных на дистанционирующих решетках TBC. Расчеты производились с помощью программного обеспечения STAR-CD, позволяющего моделировать трехмерные гидродинамические системы. Полученные новые данные о локальном распределении пузырьков в ячейках с вихревым течением дали важную информацию для идентификации критического теплового потока. Усовершенствование модели теплоотдачи на поверхности тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) позволило более реалистично описать резкое повышение температуры на поверхности ТВЭЛа при достижении критических условий. Полученные результаты численного моделирования для радиальных распределений пузырьков при нормальных условиях работы PWR и также для определения критического теплового потока показали хорошее совпадение с известными экспериментальными данными. Представленные в диссертации результаты показывают возможности применения двухфазовых CFD-расчётов для разработки и термогидравлической оптимизации дистанционирующих решеток с целью улучшения теплообмена и характеристик критического теплового потока в двухконтурном ядерном реакторе типа PWR

Computational fluid dynamics multiscale modelling of bubbly flow. A critical study and new developments on volume of fluid, discrete element and two-fluid methods

The study and modelling of two-phase flow, even the simplest ones such as the bubbly flow, remains a challenge that requires exploring the physical phenomena from different spatial and temporal resolution levels. CFD (Computational Fluid Dynamics) is a widespread and promising tool for modelling, but nowadays, there is no single approach or method to predict the dynamics of these systems at the different resolution levels providing enough precision of the results. The inherent difficulties of the events occurring in this flow, mainly those related with the interface between phases, makes that low or intermediate resolution level approaches as system codes (RELAP, TRACE, ...) or 3D TFM (Two-Fluid Model) have significant issues to reproduce acceptable results, unless well-known scenarios and global values are considered. Instead, methods based on high resolution level such as Interfacial Tracking Method (ITM) or Volume Of Fluid (VOF) require a high computational effort that makes unfeasible its use in complex systems. In this thesis, an open-source simulation framework has been designed and developed using the OpenFOAM library to analyze the cases from microescale to macroscale levels. The different approaches and the information that is required in each one of them have been studied for bubbly flow. In the first part, the dynamics of single bubbles at a high resolution level have been examined through VOF. This technique has allowed to obtain accurate results related to the bubble formation, terminal velocity, path, wake and instabilities produced by the wake. However, this approach has been impractical for real scenarios with more than dozens of bubbles. Alternatively, this thesis proposes a CFD Discrete Element Method (CFD-DEM) technique, where each bubble is represented discretely. A novel solver for bubbly flow has been developed in this thesis. This includes a large number of improvements necessary to reproduce the bubble-bubble and bubble-wall interactions, turbulence, velocity seen by the bubbles, momentum and mass exchange term over the cells or bubble expansion, among others. But also new implementations as an algorithm to seed the bubbles in the system have been incorporated. As a result, this new solver gives more accurate results as the provided up to date. Following the decrease on resolution level, and therefore the required computational resources, a 3D TFM have been developed with a population balance equation solved with an implementation of the Quadrature Method Of Moments (QMOM). The solver is implemented with the same closure models as the CFD-DEM to analyze the effects involved with the lost of information due to the averaging of the instantaneous Navier-Stokes equation. The analysis of the results with CFD-DEM reveals the discrepancies found by considering averaged values and homogeneous flow in the models of the classical TFM formulation. Finally, for the lowest resolution level approach, the system code RELAP5/MOD3 is used for modelling the bubbly flow regime. The code has been modified to reproduce properly the two-phase flow characteristics in vertical pipes, comparing the performance of the calculation of the drag term based on drift-velocity and drag coefficient approaches.El estudio y modelado de flujos bifásicos, incluso los más simples como el bubbly flow, sigue siendo un reto que conlleva aproximarse a los fenómenos físicos que lo rigen desde diferentes niveles de resolución espacial y temporal. El uso de códigos CFD (Computational Fluid Dynamics) como herramienta de modelado está muy extendida y resulta prometedora, pero hoy por hoy, no existe una única aproximación o técnica de resolución que permita predecir la dinámica de estos sistemas en los diferentes niveles de resolución, y que ofrezca suficiente precisión en sus resultados. La dificultad intrínseca de los fenómenos que allí ocurren, sobre todo los ligados a la interfase entre ambas fases, hace que los códigos de bajo o medio nivel de resolución, como pueden ser los códigos de sistema (RELAP, TRACE, etc.) o los basados en aproximaciones 3D TFM (Two-Fluid Model) tengan serios problemas para ofrecer resultados aceptables, a no ser que se trate de escenarios muy conocidos y se busquen resultados globales. En cambio, códigos basados en alto nivel de resolución, como los que utilizan VOF (Volume Of Fluid), requirieren de un esfuerzo computacional tan elevado que no pueden ser aplicados a sistemas complejos. En esta tesis, mediante el uso de la librería OpenFOAM se ha creado un marco de simulación de código abierto para analizar los escenarios desde niveles de resolución de microescala a macroescala, analizando las diferentes aproximaciones, así como la información que es necesaria aportar en cada una de ellas, para el estudio del régimen de bubbly flow. En la primera parte se estudia la dinámica de burbujas individuales a un alto nivel de resolución mediante el uso del método VOF (Volume Of Fluid). Esta técnica ha permitido obtener resultados precisos como la formación de la burbuja, velocidad terminal, camino recorrido, estela producida por la burbuja e inestabilidades que produce en su camino. Pero esta aproximación resulta inviable para entornos reales con la participación de más de unas pocas decenas de burbujas. Como alternativa, se propone el uso de técnicas CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la que se representa a las burbujas como partículas discretas. En esta tesis se ha desarrollado un nuevo solver para bubbly flow en el que se han añadido un gran número de nuevos modelos, como los necesarios para contemplar los choques entre burbujas o con las paredes, la turbulencia, la velocidad vista por las burbujas, la distribución del intercambio de momento y masas con el fluido en las diferentes celdas por cada una de las burbujas o la expansión de la fase gaseosa entre otros. Pero también se han tenido que incluir nuevos algoritmos como el necesario para inyectar de forma adecuada la fase gaseosa en el sistema. Este nuevo solver ofrece resultados con un nivel de resolución superior a los desarrollados hasta la fecha. Siguiendo con la reducción del nivel de resolución, y por tanto los recursos computacionales necesarios, se efectúa el desarrollo de un solver tridimensional de TFM en el que se ha implementado el método QMOM (Quadrature Method Of Moments) para resolver la ecuación de balance poblacional. El solver se desarrolla con los mismos modelos de cierre que el CFD-DEM para analizar los efectos relacionados con la pérdida de información debido al promediado de las ecuaciones instantáneas de Navier-Stokes. El análisis de resultados de CFD-DEM permite determinar las discrepancias encontradas por considerar los valores promediados y el flujo homogéneo de los modelos clásicos de TFM. Por último, como aproximación de nivel de resolución más bajo, se investiga el uso uso de códigos de sistema, utilizando el código RELAP5/MOD3 para analizar el modelado del flujo en condiciones de bubbly flow. El código es modificado para reproducir correctamente el flujo bifásico en tuberías verticales, comparando el comportamiento de aproximaciones para el cálculo del término dL'estudi i modelatge de fluxos bifàsics, fins i tot els més simples com bubbly flow, segueix sent un repte que comporta aproximar-se als fenòmens físics que ho regeixen des de diferents nivells de resolució espacial i temporal. L'ús de codis CFD (Computational Fluid Dynamics) com a eina de modelatge està molt estesa i resulta prometedora, però ara per ara, no existeix una única aproximació o tècnica de resolució que permeta predir la dinàmica d'aquests sistemes en els diferents nivells de resolució, i que oferisca suficient precisió en els seus resultats. Les dificultat intrínseques dels fenòmens que allí ocorren, sobre tots els lligats a la interfase entre les dues fases, fa que els codis de baix o mig nivell de resolució, com poden ser els codis de sistema (RELAP,TRACE, etc.) o els basats en aproximacions 3D TFM (Two-Fluid Model) tinguen seriosos problemes per a oferir resultats acceptables , llevat que es tracte d'escenaris molt coneguts i se persegueixen resultats globals. En canvi, codis basats en alt nivell de resolució, com els que utilitzen VOF (Volume Of Fluid), requereixen d'un esforç computacional tan elevat que no poden ser aplicats a sistemes complexos. En aquesta tesi, mitjançant l'ús de la llibreria OpenFOAM s'ha creat un marc de simulació de codi obert per a analitzar els escenaris des de nivells de resolució de microescala a macroescala, analitzant les diferents aproximacions, així com la informació que és necessària aportar en cadascuna d'elles, per a l'estudi del règim de bubbly flow. En la primera part s'estudia la dinàmica de bambolles individuals a un alt nivell de resolució mitjançant l'ús del mètode VOF. Aquesta tècnica ha permès obtenir resultats precisos com la formació de la bambolla, velocitat terminal, camí recorregut, estela produida per la bambolla i inestabilitats que produeix en el seu camí. Però aquesta aproximació resulta inviable per a entorns reals amb la participació de més d'unes poques desenes de bambolles. Com a alternativa en aqueix cas es proposa l'ús de tècniques CFD-DEM (Discrete Element Methods) en la qual es representa a les bambolles com a partícules discretes. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un nou solver per a bubbly flow en el qual s'han afegit un gran nombre de nous models, com els necessaris per a contemplar els xocs entre bambolles o amb les parets, la turbulència, la velocitat vista per les bambolles, la distribució de l'intercanvi de moment i masses amb el fluid en les diferents cel·les per cadascuna de les bambolles o els models d'expansió de la fase gasosa entre uns altres. Però també s'ha hagut d'incloure nous algoritmes com el necessari per a injectar de forma adequada la fase gasosa en el sistema. Aquest nou solver ofereix resultats amb un nivell de resolució superior als desenvolupat fins la data. Seguint amb la reducció del nivell de resolució, i per tant els recursos computacionals necessaris, s'efectua el desenvolupament d'un solver tridimensional de TFM en el qual s'ha implementat el mètode QMOM (Quadrature Method Of Moments) per a resoldre l'equació de balanç poblacional. El solver es desenvolupa amb els mateixos models de tancament que el CFD-DEM per a analitzar els efectes relacionats amb la pèrdua d'informació a causa del promitjat de les equacions instantànies de Navier-Stokes. L'anàlisi de resultats de CFD-DEM permet determinar les discrepàncies ocasionades per considerar els valors promitjats i el flux homogeni dels models clàssics de TFM. Finalment, com a aproximació de nivell de resolució més baix, s'analitza l'ús de codis de sistema, utilitzant el codi RELAP5/MOD3 per a analitzar el modelatge del fluxos en règim de bubbly flow. El codi és modificat per a reproduir correctament les característiques del flux bifàsic en canonades verticals, comparant el comportament d'aproximacions per al càlcul del terme de drag basades en velocitat de drift flux model i de les basades en coePeña Monferrer, C. (2017). Computational fluid dynamics multiscale modelling of bubbly flow. A critical study and new developments on volume of fluid, discrete element and two-fluid methods [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90493TESI

Polymeric Foams

Postprint (published version

Measurements and computations of the flow in full-scale sugar evaporative-crystallizers and in lab-scale models

The circulation of massecuite is a key factor in achieving efficient heat transfer and crystallization in sugar evaporative crystallizers, and should be as high as practically possible for recovery, quality, and capacity reasons. This research report presents results on the circulation obtained applying modern experimental and numerical techniques. The main goals are contributing to expand the understanding of the process in sugar crystallizers; developing realistic models for the simulation of the circulation; and studying the effect of different design parameters. The circulation of massecuite is driven by buoyancy force due to density difference between the vapor generated and the surrounding liquid in calandria tubes, where the momentum exchange models normally used for flow simulation cannot predict correctly the complex interfacial interactions. To address this problem, the exchange of momentum in buoyancy-driven gas-liquid vertical channel flows has been investigated experimentally from a fundamental perspective, focusing particularly on the complex regimes associated with high void fractions and with highly viscous media. A drag model has been developed from the experimental results, which represents the transfer of momentum in gas-liquid multiphase flows under adiabatic conditions. A flow boiling instability has been identified in the calandria tubes, causing intermittent vaporization and pulsating circulation. This boiling instability leads to higher frictional resistance than in corresponding continuous adiabatic gas-liquid flows, and affects the transfer of momentum to the liquid phase. Experimental results on the flow in sugar evaporative crystallizers have been obtained using a lab-scale model, where the major features of the fluid flow were replicated and studied applying Particle Image Velocimetry. Field measurements of the flow in a full-scale continuous crystallizer have also been performed, where hot anemometers were used to determine the massecuite velocity and circulation. Numerical results obtained applying Computational Fluid Dynamics (CFD) are presented and compared with the measurements performed in the lab-scale and full-scale crystallizers, confirming that the CFD solutions developed represent reasonably the flows studied. The CFD model developed has been applied to investigate numerically the effect of different design parameters on circulation, identifying potential alternatives for improving the hydraulic design and performance of sugar crystallizers through enhanced circulation

Analytical Solutions and Multiscale Creep Analysis of Functionally Graded Cylindrical Pressure Vessels

This study deals with the time-dependent creep analysis of functionally graded thick-cylinders under various thermal and mechanical boundary conditions. Firstly, exact thermoelastic stress, and iterative creep solutions for a heat generating and rotating cylindrical vessel made of functionally graded thermal and mechanical properties are proposed. Equations of equilibrium, compatibility, stress-strain, and strain-displacement relations are solved to obtain closed-form initial stress and strain solutions. It is found that material gradient indices have significant influences on thermoelastic stress profiles. For creep analysis, Norton’s model is incorporated into rate forms of the above-mentioned equations to obtain time-dependent stress and strain results using an iterative method. Validity of our solutions are at first verified using finite element analysis, and numerical results found in the recent literature have been enhanced. Investigation of effects of material gradients reveals that radial variation of density and creep coefficient have significant effects on strains histories, while Young’s modulus and thermal property distributions only influence stress redistribution at an early stage of creep deformation. Next, a more realistic model of introducing microscale creep effects into a macroscopic modeling is employed to investigate the creep behavior of functionally graded hollow cylinders. Finite element (FE) simulations are employed to evaluate the position-dependent parameters associated with creep constitutive law at the microscale. A macroscopic FE model solves the non-linear boundary value problem to determine the time-varying creep stresses and strains. The framework proposed is capable of predicting the creep response of functionally graded pressure vessels based on the constitutive behavior of the creeping matrix, and volume fraction profile. Effective creep properties have been computed using three different micromechanical models and the homogenized creep response and its effect on the macroscopic behavior are compared. Considering the computational expenses associated with the large 3D finite element models, the simple 2D axisymmetric model is able to closely capture the creep behavior in such multiscale methods. Finally, a multi-objective particle swarm optimization algorithm is implemented to minimize the initial stress and final creep strain of functionally graded cylinder subjected to mechanical and thermal loads

Estimation of the radioactive aerosols capture in accidental sequences of nuclear power plants

The turbulent submerged jets can be found fairly frequently in a great variety of processes, their study is essential in many industrial processes and engineering applications, such as in underwater propulsion, in metallurgical processes, in chemical processes or in the nuclear industry, among others. Within the nuclear world the submerged jets can occur in light water reactors (LWR), in both pressurized water reactors (PWRs) and boiling water reactors (BWR). These submerged jets are usually associated with complex multiphase flows, so that all processes occurring after such injection will be essentially unstable and turbulent. A hypothetical severe accident in a reactor can cause deterioration of the core, so that the fission products can escape from the core and be transported through the primary system and, finally, can be released to the surrounding environment. But if there is a volume of water in the escape pathway of aerosols, a discharge in the shape of submerged jet can occur, whether in a suppression pool (during an accident with loss of power, SBO, in a water reactor boiling BWR) or in the secondary of a steam generator (in an accidental breakage sequence tube / s in U in a steam generator, SGTR, in a pressurized water reactor, PWR). So that there is a capture of aerosols in those volumes, being reduced the amount of them that escape outside. Usually these sequences have been considered only for BWRs and for low discharge velocities, but these may also take place at higher velocities and, as mentioned previously, in PWRs. Throughout this thesis there is a contribution to a better understanding and quantification of natural mitigation processes that occur when a jet is discharged into a volume of water, so that it can be applied to discharges in suppression pools in a SBO sequence (BWRs), and inside of a steam generator during a SGTR event (PWRs). Being the central activity the expansion of SPARC90 code capabilities, so as to be able to quantify the aerosol capture that occurs when the discharge takes place at high velocity (originally the code only was developed to study discharges under globular regime, i.e., injection at low velocity). So the process followed to carry out this work can be divided into several stages. The first one focuses on the literature search for available information, in a specific way on submerged jets and, given the scarce specific information, this has been extended to the literature search of processes with phenomenologies that present analogies with submerged jets. Within this part, it has on the one hand, finding aspects of jet hydrodynamics and on the other, those related to aerosol capture processes. In a second stage, there are aspects of the implementation into the new code subroutines of the expressions found and / or developed in the previous stage. While for the third stage, remains the assessment of the capabilities and behavior of the new models implemented in the code. For this last stage, first, it has been proceeded to conduct a verification process which has been tested the code robustness. And secondly, it has been proceeded to perform a validation process, which has been carried out through the comparison of the results predicted by the code against the limited experimental data that are available under similar conditions to those of the model. Being the comparison against the experimental data satisfactory, showing a marked improvement in the code capabilities.Los chorros sumergidos turbulentos se pueden encontrar con bastante asiduidad en muy diversos procesos, siendo esencial su estudio en gran cantidad de procesos industriales y aplicaciones ingenieriles, como por ejemplo, en la propulsión submarina, en procesos metalúrgicos, en procesos químicos o en la industria nuclear, entre otros. Dentro del mundo nuclear los chorros sumergidos pueden presentarse en los reactores de agua ligera (LWR), tanto en reactores de agua a presión (PWR), como en reactores de agua en ebullición (BWR). Estos chorros sumergidos llevan asociados complejos flujos multifásicos, de forma que los procesos que tienen lugar tras dicha inyección serán esencialmente inestables y turbulentos. Un hipotético accidente grave en un reactor puede causar el deterioro del núcleo, de forma que los productos de fisión pueden escapar del núcleo y ser transportados a través del sistema primario y, finalmente, pueden ser liberados al medio ambiente circundante. Pero si existe un volumen de agua en la vía de escape de los aerosoles puede tener lugar la descarga en forma de chorro sumergido, ya sea una piscina de supresión (durante un accidente con pérdida del suministro eléctrico, SBO, en un reactor BWR) o el secundario de un generador de vapor (en una secuencia accidental con rotura de tubo/s en U en un generador de vapor, SGTR, en un reactor PWR). De forma que se tiene una captura de los aerosoles en dichos volúmenes, viéndose reducida la cantidad que escapan al exterior. Habitualmente estas secuencias se han considerado solamente para reactores BWR y para descargas a bajas velocidades, pero estas podrían tener lugar también a velocidades mayores y, como se ha dicho con anterioridad, en reactores PWR. A lo largo de esta tesis se ha contribuido a una mejor compresión y cuantificación de los procesos naturales de mitigación que se producen cuando se descarga un chorro en un volumen de agua, de forma que puede ser aplicado para descargas en piscinas de supresión en una secuencia SBO (reactores del tipo BWR), como en el interior de un generador de vapor durante una secuencia SGTR (reactores del tipo PWR). Siendo la actividad central la ampliación de las capacidades del código SPARC90, de forma que sea capaz de cuantificar la captura de aerosoles que tiene lugar cuando la descarga se produce a alta velocidad (originalmente el código solamente fue desarrollado para el estudio de descarga en régimen globular, es decir, inyección a baja velocidad). De modo que el proceso seguido para llevar a cabo el presente trabajo se puede dividir en varias etapas. La primera se centra en la búsqueda bibliográfica de la información disponible, de una forma específica relativa a chorros sumergidos y, dada la escasa información específica existente, esta se ha extendido a la búsqueda bibliográfica de procesos con fenomenologías que presentan analogías con los chorros sumergidos. Dentro de esta parte, se tiene por un lado, la búsqueda de los aspectos relativos a la hidrodinámica del chorro y, por otro, los relativos a los procesos de captura de aerosoles. En una segunda etapa se tienen los aspectos relativos a la implementación dentro de las nuevas subrutinas del código de las expresiones halladas y/o desarrolladas en la anterior etapa. Mientras que para la tercera etapa resta la evaluación de las capacidades y el comportamiento de los nuevos modelos implementados en el código. Para esta última etapa, en primer lugar, se ha procedido a llevar a cabo un proceso de verificación con el que se ha comprobado la robustez del código. Y en segundo lugar, se ha procedido a realizar un proceso de validación, el cual ha sido llevado a cabo a través de la confrontación de los resultados predichos por el código frente a los limitados datos experimentales disponibles en condiciones similares a las introducidas en el modelo. Siendo la comparación frente a los datos experimentales satisfactoria, mostrando una meEls dolls submergits turbulents es poden trobar amb prou assiduïtat en molt diversos processos, sent essencial el seu estudi en gran quantitat de processos industrials i aplicacions enginyerils, com per exemple, en la propulsió submarina, en processos metal·lúrgics, en processos químics o en la indústria nuclear, entre altres. Dins del món nuclear els dolls submergits poden presentar-se en els reactors d'aigua lleugera (LWR), tant en reactors d'aigua a pressió (PWR), com en reactors d'aigua en ebullició (BWR). Estos dolls submergits solen portar associats complexos fluxos multifàsics, de manera que els processos que tenen lloc després de la dita injecció seran essencialment inestables i turbulents. Un hipotètic accident greu en un reactor pot causar el deteriorament del nucli, de manera que els productes de fissió poden escapar del nucli i ser transportats a través del sistema primari i, finalment, poden ser alliberats al medi ambient circumdant. Però si existeix un volum d'aigua en la via de fuita dels aerosols pot tenir lloc la descàrrega en forma de doll submergit, ja siga una piscina de supressió (durant un accident amb perduda del subministrament elèctric, SBO, en un reactor d'aigua en ebullició, BWR) o el secundari d'un generador de vapor (en una seqüència accidental amb trencament de tub/s en U en un generador de vapor, SGTR, en un reactor d'aigua a pressió, PWR). De manera que es té una captura dels aerosols en els anteriorment dits volums, veient-se reduïda la quantitat d'ells que escapen a l'exterior. Habitualment aquestes seqüències s'han considerat solament per a reactors BWR i per a baixes velocitats de descàrrega, però aquestes podrien tenir lloc també a velocitats majors i, com s'ha dit amb anterioritat, en reactors PWR. Al llarg d'aquesta tesi s'ha contribuït a una millor compressió i quantificació dels processos naturals de mitigació que es produeixen quan es descarrega un doll en un volum d'aigua, de manera que pot ser aplicat per a descàrregues en piscines de supressió en una seqüència SBO (reactors del tipus BWR), com a l'interior d'un generador de vapor durant una seqüència SGTR (reactors del tipus PWR). Sent l'activitat central l'ampliació de les capacitats del codi SPARC90, de manera que siga capaç de quantificar la captura d'aerosols que té lloc quan la descàrrega es produeix a alta velocitat (originalment el codi solament va ser desenvolupat per a l'estudi de descàrrega en règim globular, és a dir, injecció a baixa velocitat). De manera que el procés seguit per dur a terme el present treball es pot dividir en diverses etapes. La primera d'elles se centra en la cerca bibliogràfica de la informació disponible, d'una forma específica relativa a dolls submergits i, donada l'escassa informació específica existent, esta s'ha estés a la cerca bibliogràfica de processos amb fenomenologies que presenten analogies amb els dolls submergits. Dins d'aquesta part, es té d'una banda, la cerca dels aspectes relatius a la hidrodinàmica del doll i, per un altre, els relatius als processos de captura d'aerosols. En una segona etapa es tenen els aspectes relatius a la implementació dins de les noves subrutines del codi de les expressions trobades i/o desenvolupades en l'anterior etapa. Mentre que per a la tercera etapa resta l'avaluació de les capacitats i el comportament dels nous models implementats en el codi. Per a aquesta última etapa, en primer lloc, s'ha procedit a dur a terme un procés de verificació amb el qual s'ha comprovat la robustesa del codi. I en segon lloc, s'ha procedit a realitzar un procés de validació, el qual ha estat dut a terme a través de la confrontació dels resultats predits pel codi enfront de les limitades dades experimentals disponibles en condicions similars a les introduïdes en el model. Sent la comparació enfront de les dades experimentals satisfactòria, mostrant una millora ostensible en les capacitats del codi.Berna Escriche, C. (2017). Estimation of the radioactive aerosols capture in accidental sequences of nuclear power plants [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90495TESI

Mathematical Modelling of Energy Systems and Fluid Machinery

The ongoing digitalization of the energy sector, which will make a large amount of data available, should not be viewed as a passive ICT application for energy technology or a threat to thermodynamics and fluid dynamics, in the light of the competition triggered by data mining and machine learning techniques. These new technologies must be posed on solid bases for the representation of energy systems and fluid machinery. Therefore, mathematical modelling is still relevant and its importance cannot be underestimated. The aim of this Special Issue was to collect contributions about mathematical modelling of energy systems and fluid machinery in order to build and consolidate the base of this knowledge

Numerical Modelling and Simulation of Metal Processing

This book deals with metal processing and its numerical modelling and simulation. In total, 21 papers from different distinguished authors have been compiled in this area. Various processes are addressed, including solidification, TIG welding, additive manufacturing, hot and cold rolling, deep drawing, pipe deformation, and galvanizing. Material models are developed at different length scales from atomistic simulation to finite element analysis in order to describe the evolution and behavior of materials during thermal and thermomechanical treatment. Materials under consideration are carbon, Q&T, DP, and stainless steels; ductile iron; and aluminum, nickel-based, and titanium alloys. The developed models and simulations shall help to predict structure evolution, damage, and service behavior of advanced materials