Investigation of flow and heat transfer in a large-scale spent nuclear fuel cooling pond

The recent focus on nuclear power has led to the need for more efficient and economical methods of operating the Spent Nuclear Fuel (SNF) cooling ponds as well as complying with the strict safety and environmental legislations imposed by the IAEA and the UK Government. Like many other industrial applications, the design and operation of the SNF cooling ponds have evolved from experience; trial and error. Since the stored materials in such ponds are radioactive, it is very difficult to perform experimental studies. As a result, a rigorous scientific study based on fundamental principles has to be performed. The present research explores analytically and numerically the main processes that take place across the pond installation. The body of the present study includes four main parts: the first part is involved in modelling the heat loss from the free water surface, mainly due to evaporation, using analytical and single-phase numerical approaches, which represents a critical factor in the modelling of the large-scale cooling ponds. The predicted results were in good agreement with experimental data available in open literature. In the second part, a thermal model using Microsoft Excel spreadsheet was developed for the cooling pond based on an analytical approach. The well-mixed hypothesis was adopted to describe the water zone as well as the humid air zone. Also, the ventilation system was considered within this model. The developed spreadsheet tool was validated against reliable data available for Maine Yankee pool as well as temperature measurements collected from the Sellafield site. This spreadsheet tool is able to describe the transient behaviour with low computational cost, allowing many "what-if" scenarios to be rapidly investigated. In the third part, Computational Fluid Dynamics (CFD) was used to model the cooling pond at both macro and micro levels. The macro level modelling involved in developing a CFD model for Sellafield’s cooling pond where the fuel regions were approximated to porous medium. The computational domain was produced for the water zone only, where the humid air zone was introduced to the model by coupling of the spreadsheet model with the CFD model. This model was validated and used to examine the distribution of water temperature to confirm the reliability of the adopted well-mixed approach in the analytical model. The outcomes from the CFD and spreadsheet models were used to provide some boundary conditions to the micro-level model of the fuel assemblies. The modelling methodology of the fuel assemblies was partially validated with experimental data for heat transfer around vertical cylinder. The maximum temperature of the water within the rack arrangement was determined under various conditions and a correlation was proposed. Finally, a sensitivity study was performed using Taguchi method and the statistical method of ANOVA to assess the influence of the cooling systems as well as the environmental conditions on the thermal performance of the cooling pond. The spreadsheet model was implemented to carry out the calculations. The outcomes from this study were presented in the form of recommendations that may be able to aid the organisation to manage their cooling pond more efficiently and safely during the normal operating conditions as well as recovery from an accident scenario

Assessment of a common nonlinear eddy-viscosity turbulence model in capturing laminarization in mixed convection flows

Laminarization is an important topic in heat transfer and turbulence modeling. Recent studies have demonstrated that several well-known turbulence models failed to provide accurate prediction when applied to mixed convection flows with significant re-laminarization effects. One of those models, a well-validated cubic nonlinear eddy-viscosity model, was observed to miss this feature entirely. This paper studies the reasons behind this failure by providing a detailed comparison with the baseline Launder–Sharma model. The difference is attributed to the method of near-wall damping. A range of tests have been conducted and two noteworthy findings are reported for the case of flow re-laminarization

External coupling between building energy simulation and computational fluid dynamics

xviii,139hlm.;bib.;tab.;ill

Co-simulation of building energy simulation and computational fluid dynamics for whole-building heat, air and moisture engineering

Building performance simulation (BPS) is widely applied to analyse heat, air and moisture (HAM) related issues in the indoor environment such as energy consumption, thermal comfort, condensation and mould growth. The uncertainty associated with such simulations can be high, and incorrect simulation results can lead to a design with adverse effects on health, comfort and functionality of space. In recent years, the use of BPS tools to predict and analyse the HAM behaviour of the indoor environment has grown significantly. Among these tools, Building Energy Simulation (BES) and Computational Fluid Dynamics (CFD) are recognized as potential tools for assessing HAM behaviour of the indoor environment, such as interaction of the HVAC system with convective heat and mass transfer. These tools have strong capabilities, but also some particular deficiencies in terms of boundary conditions, physical models and resolution in space and time. BES is mainly used to assess the thermal performance of buildings throughout the entire year. It is a powerful tool, but when compared to CFD tools it includes simplified air flow, heat and moisture transfer modelling. Detailed HAM modelling of the building indoor environment is possible with CFD. In CFD, however, the implementation of meteorological boundary conditions, the whole HVAC system modelling etc. are significantly less advanced than in BES. In this thesis, it is hypothesized that if used correctly, the combination of BES and CFD tools will increase the accuracy of HAM simulations of the indoor environment. The thesis first presents approaches for domain integration, relevant physical phenomena, interface variables, and coupling requirements. Then, it introduces a newly developed prototype, which integrates BES and CFD for high resolution HAM simulation of the indoor environment. Next, it describes the verification of the prototype. This is followed by the validation study of the prototype, which shows that the accuracy of the HAM simulation is enhanced. Finally its usage potential is illustrated by discussion of the results of real applications in the building industry

Implementation and Validation of OpenFOAM for Thermal Convection of Airflow

The open source code software (OpenFOAM) was applied to simulate the thermal convection of airflow. The fresh inlet airflow past a circular cylindrical heater through the variable cross-section duct by the centrifugal fan had been employed to study the thermal convection phenomenon. The widely used k-ε turbulence model was implemented to simulate the thermal convection of airflow. The pressure-velocity coupling was used an effective steady state algorithm, SIMPLE algorithm, for solving a zero pressure gradient problem. The upwind differencing (UD), linear upwind differencing (LUD), QUICK, and TVD scheme were the important schemes which were selected to solve convection-diffusion problems of the airflow past a circular cylindrical heater. The thermal convection experiment was setup using the P3210 heat transfer bench of Cussons technology. The velocities of airflow had been adjusted from 5 to 20 m/s by opening a cap at the exhaust fan duct. The heater temperatures were controlled at 100, 150 and 200°C. The computational fluid dynamics (CFD) results were compared with the experimental data. The comparison between CFD models and physical experiments were in good agreement. The average error of the k-ε turbulence model by solving with the SIMPLE algorithm, UD scheme for velocity, and QUICK scheme for temperature results was less than 4.25% when compared with the experimental data

A multiscale method for mixed convective systems - Coupled calculations with ATHLET and OpenFOAM of the PHENIX NCT

Das Generation IV International Forum schlug sechs Konzepte für Innovative Reaktoren vor, die am vielversprechendsten sind. Eines dieser Konzepte ist der Natrium gekühlte schnelle Reaktor (SFR) mit einer langen Forschungs- und Entwicklungsgeschichte. Dieser Reaktortyp weist ein hohes Potential auf, um die GEN-IV Kriterien zu erfüllen. Dazu gehört der im Jahr 1968 in Frankreich erbaute und 1973 an das Elektrizitätsnetz angeschlossene PHENIX Reaktor. Dieser Prototypreaktor wurde bis 2004 betrieben und anschließend zu Forschungszwecken, wie der Transmutation und der Evaluation von Unfallszenarien weiter verwendet. Die endgültige Abschaltung des PHENIX Reaktors fand 2009 statt. Zuvor wurden einige finale Tests geplant und durchgeführt, einschließlich eines Tests zur Naturkonvektion (NCT) des Primärkreislaufs. Der Naturkonvektions-Test wird als Benchmark-Test in der vorliegenden Arbeit verwendet und dient Qualifikation und Validierung von System-Rechenprogrammen. Im Rahmen eines EU-Forschungsprojektes wurde der Benchmark-Test als sogenannter Blind-Test durchgeführt. Diese Rechenprogramme verwenden den Ansatz der konzentrierten Parameter und werden zur Berechnung des transienten Verhaltens von thermo-hydraulischen Systemen (STH) angewendet. Mit diesem Ansatz ist es möglich, komplexe Systeme ganzheitlich zu betrachten und zu berechnen. In Deutschland wird das ATHLET Rechenprogramm von der Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH entwickelt. Da alle Kernkraftwerke in Deutschland, die zur kommerziellen Stromerzeugung verwendet werden mit Wasser gekühlt sind, wurde ATHLET bislang nur für diese Zwecke entwickelt. Ein Teilprojekt des europäischen THINS Projektes (Thermal-Hydraulics of Innovative Nuclear Systems) ist die Qualifikation von System-Rechenprogrammen, die bisher nur für wassergekühlte Kernkraftwerke entwickelt wurden, für System- und Sicherheitsrechnungen im Rahmen der GEN-IV. Die vorgelegte Arbeit zeigt die Erweiterung des ATHLET Rechenprogramms für Natriumanwendungen mittels eines Multi-Fluid Ansatzes. Numerische Strömungssimulation (CFD) wird in vielen Gebieten der Strömungsmechanik angewandt. Sie gibt qualitativ hochwertige und hoch aufgelöste Ergebnisse in gewünschten Bereichen. Der Rechenaufwand - und damit die Kosten - sind allerdings durch eine damit verbundene, lange Rechenzeit hoch. Die Entwicklung einer optimierten Methode ist ebenfalls Teil des THINS Projekts, bei der die Effektivität einer Berechnung auf Systemebene mit der hohen Auflösung von CFD kombiniert (gekoppelt) werden. Nach einem einleitenden Kapitel werden im Rahmen dieser Arbeit Modifikationen des ATHLET Rechenprogramms für Natriumanwendungen erläutert. Anschließend wird an einem System-Modell für den PHENIX Primärkreislauf im Rahmen des NCT eine Machbarkeitsstudie durchgeführt. Soweit möglich, werden Assessments der Implementierungen mit Hilfe des NCT diskutiert. Danach wird das heiße Becken des PHENIX-Primärkreislaufs in CFD modelliert und mit dem quelloffenen Rechenprogramm OpenFOAM berechnet. Das heiße Becken wurde aus einem der drei großen Volumina ausgewählt. Es wird angenommen, dass hier starke dreidimensionale Effekte vorherrschen, welche durch einen System-Ansatz nicht abgebildet werden können. Die Reynolds gemittelte Navier-Stokes Methode mit einem k-epsilon Turbulenzmodell wird hierbei angewandt. Um die zwei unterschiedlichen Methoden zu kombinieren, wird eine Kopplungsstrategie entwickelt und verifiziert. Die Programmeinbindung wird aufgezeigt und am Beispiel des PHENIX NCT diskutiert. Im Laufe des transienten Szenarios zeigt die gekoppelte Lösungsmethode abweichende Ergebnisse im Vergleich zur alleinigen System-Rechenprogramm Lösung. Dies wird durch starke, dreidimensionale Effekte im heißen Becken des PHENIX Primärkreislaufs hervorgerufen und kann durch das thermo-hydraulische System-Rechenprogramm nicht erfasst werden. Ein weiteres, theoretisches Szenario wird ebenfalls aufgezeigt, um das Potential der verifizierten und diskutierten Kopplungs-Strategie zu veranschaulichen. Hier kann eine Ähnlichkeit zwischen CFD und STH beobachtet werden. Diese tritt auf, wenn die Strömungsrichtung und deren Orientierung in beiden Rechenprogrammen identisch ist. Ebenso müssen die Geschwindigkeitsgrößen sehr klein sein

Subcooled Two-Phase Flow Heat Transfer in Multiscale Systems

Das Abführen von Nachzerfallswärme ohne Verwendung externer Energiequellen wird für Reaktoren der kommenden Generation vorgeschlagen. Diese passiven Sicherheitssysteme basieren meist auf Naturkonvektion oder Wärmrstrahlung zur Abfuhr der Nachzerfalls- wärme. Das so genannte In Vessel Retention (IVR) Konzept sieht das Fluten der Reaktorgrube mit Kühlwasser im Falle eines Schwerunfalls vor. Das Kühlwasser wird in einem Tank vorge- halten, der auf einem höheren Niveau als der Reaktordruckbehälter (RDB) angebracht ist. Die Nachzerfallswärme soll über eine Zweiphasenströmung um die äußere Wand des RDB und durch den Vorratstank abgeführt werden. Der Anteil des Kühlwassers, der verdampft wurde, wird vom Rest der Strömung getrennt. Er kondensiert folgend an Bauteilen im Inneren des Containments oder dessen Wänden. Das Kondensat wird gesammelt und dem Vorratstank wieder zugeführt. Für Reaktoren mit einer elektrischen Leistung von über 1 GW ist fraglich, ob der RDB dadurch ausreichend gekühlt werden kann. Der limitierende Faktor ist hierbei die kri- tische Wärmestromdichte an der RDB Außenwand. Die größte Wärmestromdichte wird von einer dünnen metallischen Schicht mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit oberhalb der geschmolzenenen Oxidschicht erwartet. Dies führt auf folgende Herausforderungen bei der Simulation eines passiven IVR Systems, die in dieser Studie bearbeitet werden: • Zweiphasenströmung mit Wärmeübergang von der RDB Außenwand zum Kühlwasser. Um den Zweiphasenwärmeübergang und die Evaporationsraten zu simulieren, wurde ein neues Modell vorgeschlagen. Das Modell basiert auf einer anerkannten eindimen- sionalen Korrelation und erweitert diese für die Implementierung in einen dreidi- mensionalen Zweiphasen-CFD Kontext. Das Modell und dessen Implementierung wurden durch Nachrechnen von Experimenten aus der Literatur validiert. • Wärmestromdichten-Verteilung an der äußeren RDB Wand. Krustenbildung im in- neren des Oxid-Pools und das partielle Schmelzen der RDB Wand haben großen Einfluss auf die Wärmestromdichte-Verteilung an der RDB Außenwand. Des Wei- teren spielen die Interaktion zwischen der metallischen Schicht, der RDB-Wand und des Oxid-Pools eine wichtige Rolle. • Integrales Verhalten des gesamten Kühlsystems. Um das integrale Systemverhalten des Kühlsystems, wie das Verhalten des Massenstroms bei unterschiedlichen Randbe- dingungen zu untersuchen, muss das gesamte System simuliert werden. Um dies durchführen zu können wurde ein System Thermo Hydraulic Code (STH) mit einem dreidimensionalen CFD Code gekoppelt. Die wichtigsten Beiträge dieser Arbeit beinhalten die Entwicklung und Anwendung eines robusten Modells zur Vorhersage des Wärmeübergangs für unterkühltes Blasensieden. Des weiteren wurde gezeigt, dass die Kopplung eines eindimensionalen STH-Programs mit einem dreidimensionalen CFD-Code für Zweiphasenströmungen möglich ist. Mit einem einfachen Modell für Schmelz- und Verferstigungsvorgägne konnte das hydrodyna- mische Verhalten eines Schmelzpools nachgerechnet und mit existierenden eindimensional- en Berechnungen verglichen werden. Schließlich zeigte die Anwendung der entwickelten Simulations Tools auf ein prototypisches passives IVR System, dass die Einlassunterkühl- ung des Kühlwassers einen wesentlichen Einfluss auf die Strömungsstabilität unter Natur- umlauf hat